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neschreibung
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Die Erfindung gestattet es, sehr kleine tageänderungen eines flachen
metallischen oder metallisierten Gegenstandes, etwa einer Meßmembran, zuverlässig,
sehr genau, sehr empfindlich und sehr schnell zu erfassen, wobei sich die Lageänderung
in Größenordnungen bis herunter zu 10 mm und weniger bewegen kann und die zeitliche
Auflösung in Größenordnungen von lo - 10 5 liegt.
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Lageänderungen dieser Größenordnungen kommen bei der Messung sehr
kleiner Druckdifferenzen, etwa bei der sogenannten "War burg-Manometrie" mittels
membran vor; die angegebene zeitliche Auflösung wird gefordert, wenn über Druckänderungen
die Kinetik schnell ablaufender physiologisch-chemischer Vorgänge registriert werden
soll oder wenn Schall in elektrische Signale umgewandelt werden soll (Mikrofon).
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Die Druckmessung mittels Membran ist i.a. durch die mechanischen Eigenschaften
der Membran selbst beeinträchtigt; insbesondere bei der Warburg-Manometrie" besteht
die Forderung, daß das Volumen im Meßraum konstant bleiben soll. Deshalb wird bei
einer Aus führungs form der Erfindung die Aus lenkung der Membran vermieden.
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Die Druckmessung mittels einer elektrisch leitenden Membran die mit
zwei festen Platten einen Differenzialkondensator bildet, ist bekannt. (z.B. Niebuhr,
Physikalische Meßtechnik Bd. I und II). Die Messung der Kapazitätsdifferenz erfolgt
iQa. mit einer wechselstromgespeicherten Meßbrücke durch Messung des kapazitiven
Blindwiderstandes. Dieses Verfahren hat jedoch verschiedene Nachteile: um eine hohe
Auflösung zu erreichen, muß man mit hohen Frequenzen arbeiten, was eine hohe Störanfälligkeit
durch Störfelder zur Folge hat, deren Beseitigung einen hohen Aufwand erfordert.
Bei Messungen mit der nichtabgestizzmten Brücke müssen Nichtlinearitäten in Kauf
genommen werden, eine automatische Abstimmung der Brücke erfordert einen hohen Aufwand
bei einer relativ geringen Empfindlichkeit und hohen Störanfälligkeit.
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Als SJhilfe wurde vorgeschlagen, die Kondensatoren zu Bestandteilen
von Schwingkreisen zu machen, und die Veränderung deren Resonanzei.c3.-nscl-,aften
zu messen, was aber einen sehr hohen Aufwand
verursacht und von
einer erheblichen Störa@fälligkeit begleitet ist, so daß ziel dieses Verfahren nicht
allgemein durchgesetzt hat.
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Auch die Messung von Drucken mit einem einfachen Plattenkondensator
und einer astabilen Kippstufe wurde bereits vorgeschlagen (DT-AS 23 18 281 B2, DE-OS
28 53 504 Al); bei diesen Geräten erzeugt die astabile Kippstufe ein Rechtecksignal,
dessen Tastverhältnis und/oder Frequenz durch die Kapazitätsänderung des einfachen
Kondensators geändert wird. Das Rechtecksignal kann direkt mit einem Analogmeßgerät
(Effektivtqert) oder über eine Zusatzschaltung digital gemessen werden.
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Diese Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß sie mit einem
einfachen Kondensator arbeiten und auf die in der Druckmeßtechnik allgemein anerkannten
Vorteile des Differenzialkondensators (z.B. Niebuhr, Physikalische Meßtechnik) verzichten,
und außerdem das Ausgangssignal ein Maß für die Kapazität des Kondensators ist und
nicht unmittelbar für den Druck (bei Druckdifferenz = 0 ist das Ausgangssignal nicht
0>.
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Außerdem weisen diese Anordnungen ein ungünstiges Temperaturverhalten
auf (Te.mperaturabhängigkeit ist nicht kompensiert), und das Auflösungsvermögen
ist durch den Einfluß von Streukapazitäten gering. Ferner ist durch die-Verwendung
des astabilen Multivibrators bzw. dessen Modifikationen das zeitliche Auflösungsvermögen
begrenzt, weil etwa bei einer fest eingestellten Frequenz und Veränderung des Tastverhältnisses
durch die Kapazität nur ein Teil der Zykluszeit tatsächlich für die Messung genutzt
wird.
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Bei allen Druckmessungen mittels einer Meßmembran besteht das Problem,
daß die Messung von den mechanischen Eigenschaften der Membran beeinflußt wird,
was sich durch die Hysterese, die Temperaturdrift und in Nichtlinearitäten äußert.
Diese Effekte sind umso größer, je größer die Aus lenkung der Membran ist.
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Es wurden deshalb Einrichtungen vorgeschlagen, die die Membran durch
Anwendung .iußerer Kräfte wieder in ihre Ruhelage bringen, z.l3. durch elektrostatische
oder elektromagnetische Kräfte (z.B. Kohlrausch, Praktische Physik, Bd.I). Diese
Anordnungen setzen jedoch eine äußerst exakte Steuerung der rückstellenden Kr;f-te
und einen ebenso exakten Nullindikator voraus. Die Steuel-ung wurde mit Analogschaltungen
versucht; auch mit Sc-ilf hohen Allfwant1 wurde wegen Tempcraturemp fi nd -lichkeit,
Rauschen,
Asymmetrien und Schwingneigungen anscheinend kein befriedigender Erfolg erzielt,
auch wegen Fehlens eines geeigneten Nullindikators.
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Ein anderer Vorschlag zur Lösung des Problems findet sich in der DE-OS
29 40 674; hier erfolgt die Steuerung des Magnetens mit Hilfe eines elektromechanischen
Schalters.
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In Ruhestellung schließt die Membran den Schalter, wird sie durch
Druck ausgelenkt, öffnet sich der Schalter und der Magnet tritt in Aktion bis der
Schalter wieder geschlossen ist (vereinfacht dargestellt). Dieses Spiel wiederholt
sich laufend.
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Die Anordnung hat den Nachteil einer gewissen Trägheit.und einer hohen
Störanfälligkeit, weil der Schalter im Takte der Zyklus- (Hoch-) Frequenz laufend
geöffnet und geschlossen wird Bei kapazitiver Druckmessung mittels Membranen stellt
auch das Einspannen der Membran ein Problem dar. Die Membran soll einerseits gasdicht
eingespannt sein, andererseits muß eine gewisse radiale Beweglichkeit der Membran
wegen der Durchmesserverringerung bei der Durchbiegung gewährleistet sein und die
Membran soll unempfindlich gegen ErschUtterungen und Temperatureinflüsse sein. Außerdem
sollen Störfelder vom Di zu deren Differenzialkondensator ferngehalten werden.
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Vorschläge zum Einspannen der Membran finden sich in den OS DE 27
55 306 Al, DE 3002 268 Al und DE 30 11 269 Al.
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Vorrichtungen dieser Art spannen die Membran mehr oder weniger fest
ein. Infolge der Durchbiegung wird aber eine gewisse radiale Bewegung erzwungen.
Dies führt dazu, daß bei einer fest eingespannten Membran die Aus lenkung einerseits
abhängig ist von der (nicht-reproduzierbaren) Stärke der Einspannung, andererseits
kann eine Hysterese dadurch zustande kommen, daß die Membran bei wachsender Durchbiegung
aus ihrer Führung herausgleitet und bei abnehmender Durchbiegung wieder in ihre
Führung zurückgleiten muß, wobei die Membran iva.
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leichter heraus- als wieder zurückgleitet. Weiter können Temperaturänderungen
bei fester Einspannung zu Verspannungen in der Membran und an den Einspannstellen
führen.
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Für die sogenannte Warburg-Manometrie" gab es bisher überhaupt kein
brauchbares Verfahren zur automatischen Druckmesmessung.
Noch heute
geschieht bei dicoeS Met;de, diu zur Erfassung chemischer und physiologisch- chemischer
sowie physikalisch-chemischer Vorgänge aufgrund von Gaswechselreaktionen im bereich
der wissenschaftlichen Forschung und der Medizin angewandt wird, die Druckmessung
mit Hilfe von U-Rohrmanometern nach Marburg manuell.
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Es handelt sich dabei um Kapillarmanometer bei denen mit Hilfe eines
Schlauches, der die beiden Schenkel verbindet, und eines Quetschhahnes die Höhe
der Flüssigkeitssäulen verändert werden kann. 3ei jeder Messung wird mit der Schraube
des Quetschhahnes die eine Flüssigkeitssäule auf eine definierte Höhe gebracht,
sodann die Höhe der anderen Säule abgelesen und notiert. Erschwerend kommt hinzu,
daß die Messungen oft im Dunkeln stattfinden müssen, die Vorrichtung zur Verbesserung
des Gasaustausches zwischen Flüssigkeit (in der sich die zu untersuchende Probe
befindet) und Gasraum geschüttelt werden muß und oft 12 Meßstellen gleichzeitig
abgelesen werden müssen.
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Das Verfahren ist somit extrem zeitaufwendig, beinhaltet einen großen
subjektiven Fehler beim Ablesen der Manometer, hat eine oft unzureichende zeitliche
Auflösung (bestenfalls Ablesung in l-Minutenintervallen), hat eine oft unzureichende
Empfindlichkeit (Höhendifferenzen unter 1 mm WS sind kaum erfaßbar) und macht einen
großen Aufwand bei der Auswertung der Meßergebnisse notwendig, da alle abgelesenen
Ergebnisse um die Werte eines Kontrollmanometers (sog. Thermobarometer), das Temperatur-
und Atmosphärendruckänderungen erfaßt, korrigiert werden müssen.
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Trotz seiner anerkannt großen Vorteile für wissenschaftliche und medizinische
Messungen ist dieses Verfahren aus den genannten Gründen sehr in den Hintergrund
gerückt, obgleich es zahlreiche detailliert ausgearbeitete Anwendungsbeispiele der
"Warburg-Manometrie" gibt.
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Bisherige Versuche, die "Warburg-Manometrie" zu automatisieren, haben
nicht zum Erfolg geführt. Der Versuch, die Manometer optoelektronisch zulesen, mußte
an dem damit verbundenen hohen mechanischen Aufwand scheitern. Die Messung auf piezoelektrischer
bzw. piemoresist.iver Basis zeigte eine hohle Temperaturempfindlichkeit und eine
mangelhafte Reproduzierbarkeit,
die Messung über Dehnungsmeßs@reifen
scheiwerte an der unzureichenden Empfindlichkeit.
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Die erfindungsgemäß gelöste Aufgabe war,-einRrumengerßr zu entwickeln,
das eine nohe Empfindlichkeit mit einer hohen Auflösung und Zuverlässigkeit verbindet,
das unempfindlich gegen das bei dieser Methode unvermeidbare Schütteln ist, das
eine geringe Temperatur empfindlichkeit zeigt und das eine automatische Registrierung
und Auswertung der Meßergebnisse, möglichst mit Hilfe von Datenverarbeitungsanlagen,
gestattet.
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Weiter sollte es möglich sein, die Volumenänderung infolge der Durchbiegung
der Membran zu vermeiden, da der Druck nach den Gas gesetzen auch vom Volumen abhängt
und selbst eine minimale Volumenänderung bei Druckmessungen in den Größenordnungen
der "Warburg-Manometrie" einen erheblichen Einfluß auf den gemessen Druck hat.
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Um eine breite Anwendung des Verfahrens zu ermöglichen, sollte die
Anlage möglichst einfach aufgebaut und vor allen Dingen zuverlässig sein, wobei
die Schwierigkeit war, au sehr kleine Druckdifferenzen(entsprechend O,l mm WS und
darunter) genau und sicher zu messen, wobei die Anlage möglichst auch von Nichtfachpersonal
bedienbar sein sollte.
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Gemäß dem breiten Anwendungsspektrum der "Warburg-Manometrie" sollte
sich die Empfindlichkeit in sehr weiten Grenzen und auf einfache Weise variieren
lassen, da sowohl sehr kleine Druckänderungen (z.B. Schwankung der Atmung von Insektenlarven
-lmm WS pro Tag) als auch größere Druckänderungen (Kohlendioxidfreisetzungen aus
Pflanzenteilen) je nach Anwendungsgebiet vorkommen können.
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Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß gelöst, indem zunächst eine elektronische
Schaltung entwickelt wurde, die es gestattet, Kapazitätsdifferenzen sehr genau und
sicher zu erfassen, da zur Lösung der Aufgabe nur die Messung mit Hilfe eines Differenzialkondensators
in Frage kommen konnte.
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Die sichere Erfassung kleiner Kapazitätsänderungen machte es möglich,
die Durchbiegung der Membran sehr klein zu halten (z.B. max. 5x1O-2mm bei ca. 70mm
Durchmesser). Diese geringe Durchbieguiig bewirkt in Verbindung mit der Maßnahme,
daß die husten Platten kleiner sein können als die Membran, eine sehr gute Linearität
der Kapazitätsänderung bei der Auslenkung und gestattet außerdem die Verwendun<;
einer relativ dicken Meinbran
(ca, O,lmm), was das Meßgerät gengem
die heftigen Schüttelbewegungen weitgehend unempfindlich macht. Diese Eigenschaft
wird gefördert durch die Aufhängung der Membran zwischen zwei O-Ringen (siehe Zeichnung
1). Diese Aufhängung gewährleistet auch eine weitgehendst reibungslose radiale Beweglichkeit
der Membran, was Hysterese und Temperaturunempfindlichkeit wesentlich herabsetzt
und außerdem den Vorteil einer einwandfreien Abdichtung aufweist.
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Der definierte Abstand zwischen festen Platten und Membran wird durch
den auswechselbaren Zwischenring, der mit Distanzscheiben unterschiedlicher Dicke
ergänzt werden kann, gewähr leistet.
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Durch einfaches Auswechseln des Ringes uncVoder der Scheiben kann
somit der Abstand der Platten und damit Empfindlichkeit, und Meßbereich sehr einfach
verändert werden.
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Eine weitere Möglichkeit der Veränderung der Empfindlichkeit besteht
inder Verwendung verschieden dicker Membranen.
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Die O-Ringe sitzen in einer Vertiefung, die eine Bewegung der O-Ringe
in radialer Richtung nach innen zuslassen, so daß diese die radiale Bewegung der
Membran mitmachen, indem sie sich zwischen Membran und Unterlage verdrehen.
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Membran und Zwischenringe (die aus Metall bestehen) sind elek trisch
mit Masse verbunden und schirmen so die festen Platten vor Störfeldern ab.
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Die elektronische Schaltung zur Erfassung sehr kleiner Kapazitätsdifferenzen
ist in Zeichnung 2 dargestellt. Jede Hälfte des Differenzialkondensators bildet
zusammen mit dem zugehöeigen Schaltungsteil A bzw. B eine monostabile Kippstufe.
Deren Ausgangssignale werden dem Exklusiv-Oder-Glied zugeführt, dessen Ausgang nur
dann Spannung führt, wenn nur einer der beiden Eingänge Spannung führt. Die monostabilen
Kippstufen werden gemeinsam gestriggert und führen danach ein Ausgangssignal. Infolge
der Exklusiv-Oder-Verknfung ist die Spannung am Ausgang des Exklusiv-Oder-Gliedes
zunächst null. Erst wenn das Ausgangssiqnal einer der beiden monostabilen Kippstufen
auf Null abfällt (der Kippstufe die gerade die kleinere Kapazität aufweist) führt
der Ausgang des Exklusiv-Oder-Gliedes Spannung, und. zwar so lange, bis auch die
Spannung der anderen jonostabi1en Kippstufen auf null abfällt. Am Ausgang des Exklusiv-Oder-Gliedes
entsteht also ein Signal, dessen Dauer
von den absoluten Kapazitäten
völlicr'nabhänig-1st-ucrein direktes Maß für die Kapazitätsdifferenz und damit für
den Druck darstellt.
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Wichtig für die Auflösung und die Genauigkeit des Gerates ist nun
die zeitliche Stabilität der Ausgangssignale der monostabilen Kippstufe, d.h. wenn
die Kapazität nicht verändert wird, soll sich die Zeitdauer der Ausgangssignale
durch Temperaturänderungen u.ä. möglichst wenig ändern.
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Diese Stabilität hängt von der Gute der monostabilen Kippstufe ab.
Mit Kippstufen in Form von integrierten Schaltkreisen lassen sich bereits sehr gute
Ergebnisse erzielen, die jedoch durch Aufbau der Kippstufen aus einelnen Komponenten
wesentlich verbessert werden können. Zeichnung 3 zeigt einen solchen Aufbau. Er
enthält Konstantstromquellen anstelle des Widerstandes im RC-Glied der monostabilen
Kippstufe (Widerstand bzw. Konstantstromquellen laden den Kondensator bei jedem
Meßzyklus auf), einen Präzisionskomperator (er vergleicht die Spannung am Kondensator
mit der Spannungsreferenz und liefert ein Ausgangssignal, das eins ist, solange
die Spannung am Kondensator so hoch ist wie die Referenzspannung und das null wird,
sobald die Spannung am Kondensator diesen Wert überschreitet), und eine Präzisionsspannungsreferenz.
Das Ausgangssignal des Komperators steuert eine bistabile Kippstufe, die das Ausgangssignal
liefert und den Kondensator wieder entläd; nachdem das Ausgangssignal auf null zurückgegangen
ist. Durch den nächsten Triggerimpuls wird die bistabile Kippstufe wieder umgeschaltet.
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Die Triggerung kann durch ein aus dem Zählimpuls abgeleiteten Signal
mit fester Frequenz erfolgen, kann aber auch zur ökonomisierung der Messung dadurch
erfolgen, daß der Triggerimpuls aus dem (um die Zeit der Entladung der Kondensatoren)
verzögerten Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe mit dem längeren Ausgangssignal
gehildet wird, was den Vorteil hat, daß die Messung unabhängig von der Zeitdauer
der Ausganssignale der monostabilen ippstufe zimmer mit der ma.iinal mjgli.chen
Frequenz erfolgt. Eine besondere Starterschaltuny sorgt dann für das sichere Ingangkomnen
der Vorgänge und (lem Einschalten.
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Bei der einfacheren Version des Verfahrens ohne kompensation der Membran
aus lenkung steuert das Exklusiv-Oder-Glied-Ausgangssignal einen Zähler, der während
der Dauer dieser Signale Impulse eines Generators mit konstanter Frequenz zählt.
Am Ende der Meßperiode, d.h. wenn das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe
mit der größeren Kapazität auf null gegangen ist, wird das Zählergebnis auf einen
Speicher gegeben und der Zähler auf null gesetzt, nachdem das vorherige Ergebnis
im Speicher gelöscht wurde. Der Speicherinhalte erscheint einerseits auf einer digitalen
Anzeige und kann andererseits einem Digital/Analogwandler zuge führt werden, der
die Darstellung des Druckverlaufs auf einem Schreiber oder einem Oszilloskopen ermöglicht.
Das digitale Signal kann auch direkt mit einer Datenverarbeitungsanlage weiterverarbeitet
werden.
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Eine Auswertelogik bestimmt aus den Längen der Ausgangssignale der
monostabilen Kippstufe nach welcher Seite die Membrarl gerade durchgebogen ist und
damit das (umschaltbare) Vorzeichen für die Anzeige. Dieses Vorzeichensignal dient
außerdem zum Umschalten des Ausgangssignals des D/A-Wandlers beim Nulldurchgang
des Druckes, wenn sich der Druck von Über- zu Unterdruck oder umgekehrt ändert.
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Diese Version des Geräts eignet sich auch zur digitalen Umwandlung
von Schallwellen in ein digitales Signale Die Membran muß in diesem Falle so dünn
sein, daß sie die nötige Empfindlichkeit und das nötige Schwingverhalten enthält
und die Zyklus frequenz muß so hoch sein, daß auch hohe Frequenzen noch genügend
aufgelöst werden. In Verbindung mit einer weiteren digitalen Verarbeitung erhält
man so ein rauschfreies Registrierverfahren für Schall, das sich sowohl für die
Unterhaltungselektronik als auch für Meßswecke.eiguats-Die Steuerung der Elektromagnete
bei der Kompensation der Membran aus lenkung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß auf diese Elektromagnete das digitale Prinzip angewandt wird.
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Auf beiden Seiten der Membran befindet sich ein solcher Elektromagnet.
Dieser ist aus Teilspulen aufgebaut, deren magnetische Feldstrken sich in einem
bestimmten Verhältnis verhalten (z.B. l:2:4:8:l6:32 etc.) und die von (einstellbaren)
Konr;iianf.-stromquellen
gespeist werden, so daß durdhKoli,atr
er Spulen jeder ganzzahlige Wert innerhalb eines bestimmten Bereiches eingestellt
werden kann (z.B. 8192 Werte bei 13 Teilspulen).
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Die Konstantstromquellen (die auch durch andere Schaltelemente ersetzt
sein können) werden von den Ausgängen von zwei Auf/Abwärtszählern (Uber Speicher)
gesteuert, die ihrerseits vom Ausgangssignal des Exklusiv-Oder-Gliedes gesteuert
werden. Die Zähler stehen auch mit einem Oszillator mit konstanter Frequenz, der
die Zählimpulse liefert, und mit dem Ausgangssignal der Vorzeichen logik in Verbindung.
Das Signal an den Ausgängen der Zähler bzw. Speicher steuert außer den Elektromagneten
in Verbindung des Ausgangssignals der Vorzeichenlogik auch die Digitalanzeige und
/oder den D/A-Wandler. Der Speicher übernimmt am Ende der Meßperiode den aktuellen
Zählerstand, wobei nur der Speicher (vor der übernahme) auf null gesetzt wird (Zeichnung
4).
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Die Funktion im einzelnen ist wie folgt: Angenommen, die Membran
sei in ihrer Ruhelage und keiner der Teilmagnete eingeschaltet, dann wird kein Ausgangssignal
des Exklusiv-Oder-Gliedes erzeugt, die Anzeige ist null und die Magnete bleiben
außer Kraft. Nun soll durch eine Druckänderung die Membran nach einer Seite ausgelenkt
werden. Es entdbht nun ein Ausgangssignal des Exklusiv-Oder-Gliedes, das je nach
Richtung der Auslenkung den einen oder anderen Zähler zum Zählen der Impulse des
Generators (aufwärts) freigibt. Am Ende der Meßperiode wird das Ergebnis auf den
Speicher übertragen, und der jeweilige Elektromagnet wird so gesteuert, daß er die
Auslenkung gerade Rompensiert, gleichzeitig erscheint das Zählergebnis vorzeichenrichtig
auf der Anzeige. Das Ausgangssignal der Vorzeichenlogik entscheidet, welcher der
Zähler freigegeben wird.
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Für den nächsten Meßzyklus gibt es nun drei Möglichkeiten: 1.>
der Druck hat sich nicht verändert. Es entsteht wegen der Nullage der Membran kein
Ausgangssignal des Exklusiv-Oder-Gliedes und der Zählerstand und die Kraft des Elektromagneten
ändert sich nicht.
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2.)der Druck hat sich weiter erhöht. Es entsteht wieder ein Ausganyssignal
des Exklusiv-Oder-Gliedes mit dem gleichen Vorzeichensinal wie beim ersten Meßzyklus.
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Der Zähler zählt weiter aufwärts, erkbht aiso.apnen (nicht gelöschten
) Zählerstand, wobei sich am Ende des Meßzyklus der Stand der Digitalanzeige und
die Kraft des Elektromagneten erhöhen.
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3G> der Druck hat sich wieder vermindert. Es entsteht wieder ein
Ausgangssignal des Exklusiv-Oder-Gliedes, diesmal aber mit umgekehrten' Vorzeichen.
Dies steuert den Zähler so, daß er jetzt abwärts zählt. Entsprechend vermindern
sich am Ende der Meßperiode Stand der Digitalanzeige und Kraft des Magneten.
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Kommt einer der Zähler beim Alwärtszählen zum Stande null, so sorgt
eine Umschaltlogik dafür, daß der andere Zähler nunmehr aufwärts zählt, wenn das
Ausgangssignal des Exklusiv Oder-Gliedes noch andauert, so daß jetzt der andere
Elektromagnet in Tätigkeit gesetzt wird. Durch diese Anordnung wird vermieden, daß
bei4e Elektromagneten wirksam sind.
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Der Speicher kann auch fehlen und die Zähler können die Elektromagneten
bzw. die Anzeige direkt steuern. Durch die Kompensation wird erreicht, daß die Membranen
nur noch minimal ausgelenkt sind, da die Druckänderungen gegenüber der Zykluszeit
(z.B. 104 Hz) langsam sind. Der Diffezizialkondensator kann so gewählt werden, daß
seine Empfindlichkeit sehr hoch ist und sein Meßbereich sehr klein ist, da er nur
noch als Nullindikator dient. Das Volumen des Meßraumes bleibt konstant, Nichtlinearitäten
und Hystereseerscheinungen der Membran spielen praktisch keine Rolle.
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Die geforderte Schilttelfestigkeit wird einerseits durch die elQastische
Aufhängung der Membran und ihre ungewöhnliche Dicke erreicht, andererseits sorgt
eine spezielle Aufhängung des gesamten Druckfühlers dafür, daß die Membran durch
die in einer horizontalen Ebene erfolgenden Schüttelbewegung nur in radialer Richtung
bewegt wird und keine Beschleunigung in axialer Richtung erfolgt.
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Die Aufhängung erfolgt durch ein um eine horizontale Achse schwenkbares
Winkelstück, das außerdem noch in seiner Höhe verstellbar ist.
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Die relativ gute Temperaturstabilität wird dadurch erreicht, daß die
beiden monostabilen Kippstufen, die die einzigen temperaturempfindlichen Bauteile
der Schaltung darstellen (die Konstantstromquellen der Elektromagneten ausgenommen)
doppelt
vorhanden sind und sich gegenseitig Rompens 'Y çren, so daß nur eine sehr gerlnge
Temperaturempfindlichkeit übrigbleibt, die durch etwas streuende Eigenschaften der
(thermisch gekoppelten) monstabilen Kippstufe bedingt sind. Gemäß dem Stand der
Technik lassen sich diese Streuungen in sehr engen Grenzen halten.
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Temperaturbedingte Verspannungen der Membran lassen sich, wie bereits
angeführt, durch die elastische Aufhängung weitgehend vermeiden.
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Das digitale Ausgangssignal kann ohne weiteres mit Datenverarbeitungsanlagen
weiterverarbeitet werden. Dies gilt ganz besonders für die Anwendung der sogenannten
"Warburgschen Zweigefäßmethode". Bei dieser wird gleichzeitig der Druckverlauf in
2 Gefäßen mit identischem Probenmaterial gemessen, wobei sich die beiden Gefäße
in nur einem Parameter unterscheiden (z.B. verschiedenes Verhältnis von Flüssigkeits-
zu Gas raum) . Durch ein kompliziertes (bisher manuelles Auswerteverfahren kann
dadurch gleichzeitig dei Konzentrationsänderung zweier verschiedener Gase (z.B.
Sauerstoff und Kohlendioxid) erfaßt werden.
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Diese Auswertung kann nun direkt und während der Messung durch eine
(schnelle) Datenverarbeitungsanlage übernommen werden, und es wird damit möglich,
die Konzentrationsänderung zweier Gase, etwa bei physiologischen Vorgängen wie Atmung
oder Photosynthese, kontinuierlich zu erfassen und etwa auf einem Zweikanalschreiber
in Diagrammform darzustellen - eine Aufgabe, die nach dem bisherigen Stand der Technik
unlösbar war.
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Aufgrund der Abhängigkeit der Kapazität von der Dielektrizitätskonstanten
des Mediums lassen sich entsprechend Anspruch 8.
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auch Unterschiede der dielektrischen Eigenschaften von Medien aufgrund
der hohen Empfindlichkeit der Auswerteschaltung erfassen. Zu diesem Zweck wird die
Membran als dritte feste Platte ausgestaltet und das zu messende Medium zwischen
die Platten gebracht. Dabei kann einer der beiden Räume zwischen den Platten ein
Vergleichsmedium enthalten, während der andere Raum das Meßmedium aufnimmt. Die
Räume können auch so gestaltet sein, daß gasförmige oder flüssige
Medien
die Raume durchfließen. So kann auch ein Medium za-.
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nächst den einen Raum, uana nach einer Modifikaton, etwa einer chemischen
Reaktion, den anderen Raum durchfließen, und so das Ausmaß der Modifikation gemessen
werden.
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Die beschriebene Anordnung kann auch zur membranlosen Messung des
Vakuumdruckes benutzt werden, indem einer der beiden Räume mit dem Vakuum verbunden
wird, und der andere etwa ein Vergleichsvakuum oder ein Vergleichsgas (etwa unter
Normaldruck) enthaltenkann. Die Messung beruht darauf, daß sich mit zunehmendem
Vakuum die Dielektrizitätskonstante immer mehr der des Vakuums annähert.
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Das Ausführungsbeispiel nach Zeichnung l zeigt eine Reihe von für
die "Warburg-Manometrie" wichtige Details: Um die Einflüsse unterschiedlicher Dielektrizitåtskonstanten
auszuschalten (Luftfeuchtigkeit) sind die Räume zwischen den Platten von den Meßräumen
durch dünne, leichtbewegliche Hilfsmembranen getrennt. In den Räumen zwischen den
Platten kannsich Atmosphärenluft, aber auch ein besonderes Medium befinden.
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Weitere wichtige Details sind die Anschlußstutzen, die Hähne und die
Druckwellendrosseln. Die Anschlußstutzen haben die Form eines Normschliffes 14.5,
weil die zahlreichen in Gebrauch befindlichen Spezialgefäße für die"Warburg-Manometrie"
diesen Normanschluß haben und somit mit dieser Apparatur weiterverwendet werden
können.
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Die "Druckwellendrosseln" sind zweckmäßig, weil sich beim Schütteln
durch das Schwappen der Flüssigkeit örtlich Druckwellen bilden, die die Membran
in Schwingungen versetzen Diese Druckwellen werden durch die verstellbaren"Druckwellendrosseln",
mit denen eine Verengung des Lumens der Anschlußstücke möglich ist, von der Membran
weitgehend ferngehalten.
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Die Hähne sind einerseits wichtig, weil beim Anschluß der Gefäße ein
Uberdruck entsteht. Dieser beruht erstens darauf, dß die Anschlüsse gefettet werden
und so beim Verbinden der Anschlüsse eine Volalmenverringerung entsteht, zweitens
dadurch, daß die Gefäße nach dem Anschluß in den Thermostaten gestellt werden und
nun eine Temperaturänderung erfahren.
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Dieser Überdruch wird durch das öffnen <er hähne vermieden.
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Außerdem muß die Möglichkeit bestehen, kurz vor der Messunc;
durch
die angeschlossenen Gefäße einen GassLrom:zv iten (etwa Stickstoff). Zu diesem Zweck
sind manche der Spezialgefäße ebenfalls mit einer verschließbaren Öffnung ausgestattet.
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Der Druckfühler ist so gestaltet, daß man beido Räume des Differenzialkondensators
mit je einem Gefäß verbinden kann.
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Dies ermöglicht die Verwendung der Anlage als Differenzialmanometer.
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Si der Manometrie spielen Temperaturänderungen im Meßgefäß eine erhebliche
Rolle, weil der Druck nach den bekannten Gas gesetzen auch von der Temperatur abhängt.
Obwohl die Gefäße thermostatisiert werden, ist es nicht möglich, die Tempe--2 ratur
hinreichend konstant zu halten (sie müßte auf 10 2 < 10-3 Grad Celsius konstant
gehalten werden). Änderungen des Atmosphärendruckes (Wetteränderungen) haben ebenfalls
einen störenden Einfluß-auf das Meßergebnis. Um diese Störeinflüsse zu kompensieren
benutzt man üblicherweise ein sogenanntes "Thermobarometer". Diesesist mit einem
Gefäß verbunden> das mit dem Meßgefäß bzw. mit den Meßgefäßen identisch ist mit
dem Unterschied, daß es die zu untersuchende Probe nicht enthält und die Druckänderung
in diesem Gefäß somit das Ausmaß von Temperatur- und Atmosphärendruckänderungen
widerspiegelt.
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Bei der manuellen Manometrie werden die Werte der Meßmanometer um
den Wert dieses "Thermobarometers" korrigiert.
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Bei der an sich bekannten Differenzialmanometrie, die sich mit speziellen
Kapillarmanometern durchführen läßt, erfolgen diese Korrekturen automatisch, weil
das Thermobarometergefäß an den einen, das Meßgefäß an den anderen Schenkel des
Manometers angeschlossen wird und Druckänderungen, die in beiden Gefäßen gleichermaßen
ablaufen, ohne Einfluß auf die Höhe der Flüssigkeitsschenkel bleiben.
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Die Anlage nach Zeichnung 1 kann aber auch zur Messung gegen den
Atmosphärendruck verwendet werden; zu diesem Zweck wird das Meßgefäß an das untere
Anschlußstück angeschlossen und das obere Anschlußstück um 180° nach oben geklappttdamit
es nicht in die Thermostatenflüssigkeit taucht. Der Abstand der beiden Anschlußstücke
voneinander läßt sich durch Drehen des Unterteils variieren, so daß alle bekannten
Spezial(Jefct ße verwendet werden können.
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Die Maße der Anlage und die Art der Aufhtinqunr des Druckfilhlers
sind so gewählt, daß si<:h die Anlage in Verbindung mit den zahlreichen mehr
oder weniger in Gebrauch befindet lichen "Warburg-Apparaten" verwenden läßt.
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Gemäß Anspruch 7.7 können die Anschlußstücke mit einer Vorrichtung
versehen sein (etwa einer geeigneten Bohrung), die die Aufnahme eines Lichtleiters
gestattet (der etwa über eine Dichtung in die Bohrung eingeführt wird), so daß das
Meßobjekt von oben und innen mit kalte Licht belichtet werden kann.
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Die Belichtung ist wichtig bei Anwendung in der Pflanzenphysiologie,
wo das Verhalten von Pflanzen und Pflanzenteilen bei Belichtung gemessen werden
soll.
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Bei den bisherigen Anlagen erfolgte die Belichtung von un-.
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ten über Glühbirnen, wobei der Behälter für die Thermostatflüssigkeit
aus durchsichtigem Material bestand und die Glühbirnen unterhalb des Behälters angebracht
waren. Dieshatte den Nachteil, daß bei Belichtung durch die erhebliche Wärementwicklung
der Glühbirnen eine vom Thermostaten nicht kompensierbare Aufheizung der Gefäße
erfolgte, daß durch die Lichtabsorption von Behälter und Thermostatflüsr sigkeit
eine Schwächung des Lichts erfolgte und das es nicht möglich war, mit Licht einer
bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten spektralen Bereichs zu belichten -eine
Forderung, auf die bei modernen wissenschaftlichen Messungen nicht verzichtet werden
kann.
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Mit Hilfe der Lichtleiter können die Proben ohne Temperaturerhöhung
und ohne Lichtschwächung direkt mit Licht beliebiger Wellenlänge belichtet werden.