DE2229703A1 - MOTION ELECTRIC CONVERTER - Google Patents

Description

Bewegungselektrischer Wandler Die Erfindung betrifft einen bewegungselektrischen Wandler mit Mitteln zum Feststellen einer Relativbewegung gegenüber einem festen, flüssigen oder gasförmigen Medium sowie eine Verwendung desselben. Moving-electrical converter The invention relates to a moving-electrical converter Converter with means for determining a relative movement with respect to a fixed, liquid or gaseous medium as well as a use of the same.

Zur elektronischen Messung von Relativbewegungen zwischen Körpern und Medien unter sich oder gegeneinander sind Verfahren bekannt, die auf dem elektromagnetischen Prinzip beruhen. Diese Verfahren sind aber nicht anwendbar, wenn der bewegte Teil nicht magnetisch ist bzw. kein permanentmagnetisches Material transportieren kann, oder nicht genügend leitfähig ist, um magnetisch erregt zu werden. Dasselbe gilt, wenn die Geschwindigteit oder Menge von Stoffen oder Medien gemessen werden soll,- die wegen Elektrolyse oder Explosionsgefahr nicht unter Strom gesetzt werden dürfen.For the electronic measurement of relative movements between bodies and media among themselves or against each other are known methods that rely on the electromagnetic Based on principle. However, these procedures are not applicable when the moving part is not magnetic or cannot transport permanently magnetic material, or is not conductive enough to be magnetically excited. The same is true if the speed or amount of substances or media is to be measured, not because of electrolysis or the risk of explosion energized may be.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen bewegungselektrischen Wandler zu beschreiben, welcher sich auch für die Messung der Richtung, Geschwindigkeit oder des Durchtrittvolumens von Materialien in allen Aggregatszuständen eignet.It is the object of the present invention to provide a moving electric To describe transducers, which are also used for measuring direction, speed or the passage volume of materials in all states of aggregation.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mindestens ein mit dem Medium in Berührung stehendes Element aus reibungselektrischem Material vorgesehen ist, an welchem bei Auftreten einer Relativbewegung gegenüber dem Medium eine Kontaktspannung entsteht, dass mindestens eine am Element angebrachte bzw. vom Medium berührte Elektrode vorgesehen ist, welche mit dem Eingang eines angepassten Verstärkers verbunden ist, und dass mindestens das Element und die Elektrode von einem FaradaÇschen Käfig umgeben sind.This object is achieved according to the invention in that at least an element made of triboelectric material in contact with the medium is provided on which when a relative movement occurs with respect to the medium a contact tension arises that at least one attached or the medium touched electrode is provided, which is adapted to the input of a Amplifier is connected, and that at least the element and the electrode of are surrounded by a Farada's cage.

Dadurch lässt sich ein äusserst empfindlicher bewegungselektrischer Wandler aufbauen, der sich bei der Messung an verschiedenartigsten Medien gleichermassen gut verwenden lässt.This allows an extremely sensitive motion-electric Build a transducer that can be used to measure a wide variety of media can be used well.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen bzw. aus der folgenden Beschreibung.Further features and advantages of the invention emerge from the claims or from the following description.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für einen Durchflussmesser für elektrisch nichtleitende Medien anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.The following is an exemplary embodiment of a flow meter for electrically non-conductive media using the enclosed drawings described.

Es zeigen: Fig. 1 den Schnitt durch ein als Ausführungsbeispiel gewähltes Abtastelement des Wandlers, mit eingezeichneten Potentialsymbolen, Fig. 2 ein Abtastelement für leitende Flüssigkeiten im Schnitt, und Fig. 3 das elektrische Schaltbild eines Impedanzwandler-Verstärkeres zur Anzeige einer Durchflussmenge.The figures show: FIG. 1 the section through one selected as an exemplary embodiment Scanning element of the transducer, with potential symbols drawn in, FIG. 2 a scanning element for conductive liquids in section, and FIG. 3 shows the electrical circuit diagram of a Impedance converter amplifier for displaying a flow rate.

Die Erfindung macht vom elektrostatischen Prinzip Gebrauch, indem das Ladungsgleichgewicht verschiedenartiger, einander berührender Körper oder Medien dadurch gestört wird, dass freie Ladungsträger auf den miteinander in Kontakt stehenden Oberflächen an den Grenzschichten angehäuft werden, wenn die Oberflächen voneinander entfernt werden. Es entsteht dann die sogenannte Kontaktspannung, welche als Indikator für die Geschwindigkeit der Relativbewegung der beiden Oberflächen benutzt werden kann. Die Messung der Ueberschussladung kann sowohl am festen wie auch am bewegten Teil erfolgen, oder es kann der Ladungsunterschied zwischen bewegtem und festem Teil gemessen werden.The invention makes use of the electrostatic principle by the charge equilibrium of different bodies or media in contact with one another is disturbed by the fact that free charge carriers are in contact with one another Surfaces at the boundary layers become accumulated when the surfaces are apart removed. The so-called contact voltage then arises, which acts as an indicator can be used for the speed of the relative movement of the two surfaces can. The measurement of the excess charge can be carried out on the fixed as well as on the moving one Part, or it can be the difference in charge between moving and fixed Part to be measured.

Fig. 1 zeigt einen Messwertaufnehmer 1, der ein vom Medium durchflossenes Metallrohr 2 umfasst, ein in Strömungsrichtung daran anschliessendes Rohr 3 aus reibungseleketrischem Material, das in der Lage ist, Reibungselektrizität in Form von Ladungsträgern einer bestimmten Polarität an das Medium abzugeben, oder in diesem zu binden sowie eine darauffolgende metallische Elektrode 4. Daran anschliessend folgt ein weiteres Rohr 5 aus reibungselektrischem Material, welches sich reibungselektrisch umgekehrt verhält, wie das Rohr 3, also Ladungsträger der gleichen Polarität aus dem Medium aufnimmt oder durchdiese beeinflusst wird. Den Anschluss bildet eine weitere metallische Elektrode 6, welche von einem weiteren Rohr 7, das die gleichen Eigenschaften wie das Rohr 3 besitzt und einem Metallrohr 8 gefolgt wird. Die Elektroden 4 und 6 sowie die Rohre 2 und 8 bestehen aus Metall oder sind Rohre, deren Innenseite mit Metall beschichtet ist. Die Rohre 2 und 8 sind mit dem elektrischen Bezugspotential verbunden und zweckmässigerweise geerdet, um auf dem Zufluss- oder Abflussweg aufgenommene Fremdladungen vom Messwandler fernzuhalten.Fig. 1 shows a transducer 1, which is a through which the medium flows Metal pipe 2 comprises a pipe 3 adjoining it in the direction of flow Frictional electrical material that is capable of static electricity in the form of charge carriers of a certain polarity to the medium, or in this to bind as well as a subsequent metallic electrode 4. Subsequently follows another tube 5 made of triboelectric material, which is triboelectric behaves the other way around, like the tube 3, so charge carriers of the same polarity absorbs or is influenced by the medium. The connection forms a another metallic electrode 6, which is from another tube 7, which is the same Properties like the pipe 3 has and a metal pipe 8 is followed. The electrodes 4 and 6 as well as the tubes 2 and 8 are made of metal or are tubes whose inside is coated with metal. The tubes 2 and 8 are at the electrical reference potential connected and conveniently grounded in order to record on the inflow or outflow path Keep foreign charges away from the transducer.

Zum Schutz gegenüber äusseren Störeinflüssen ist das Element von einem Faraday'schen Käfig 9 umgeben, welcher gemeinsam mit den Rohren iund 7 und im Falle eines nachfolgenden unsymmetrischen Verstärkers mit einer der Elektroden 3 oder 5 an Masse liegt. Aus thermischen Gründen kann der an späterer Stelle beschriebene Verstärker ebenfalls innerhalb des Käfigs angebracht werden. Der Faraday'sche Käfig kann zweckmässigerweise ins Rohr ausgebildet sein, welches auch evakuiert oder mit einem Schutzgas gefüllt sein kann, um Feuchtigkeitsniederschläge auf der Aussenseite des Wandlers zu vermeiden.To protect against external interference, the element is a Surrounding Faraday cage 9, which together with the tubes iund 7 and in the case a subsequent unbalanced amplifier with one of the electrodes 3 or 5 is connected to ground. For thermal reasons, the one described later can be used Amplifier also inside the cage be attached. Of the Faraday cage can expediently be formed in the tube, which also evacuated or filled with a protective gas to prevent moisture deposits on the outside of the transducer.

Gemäss den in Fig. 1 eingezeichneten Polaritäten sind die beiden Rohre 2 und 8 wegen der erwähnten Masseverbindungen in Serie geschizltet, so dass ohne die Existenz des Elementes 5 die Spannung an den Elektroden der doppelten Elementspannung entsprechen würde. Rohr 5 müsste idealerweise aus einem sehr gut isolierenden Material bestehen. Derartige Isoliermaterialien enthalten aber selber freie'ladungsträger, die durch das fliessende Medium beeinflusst werden, so dass eine entsprechende Ladung über diesem Teilstück entsteht, die bei der bezeichneten Polarität im gleichen Sinn wie die Nutzspannung an den Elektroden steht. Um Ausgleichsströme zu vermeiden, werden das Material und die Länge des Elementes 5 zweckmässigerweise so gewählt, dass die über ihm stehende Spannung gleich der Summe der Spannungen der Teilstücke 3 und 7 wird. Würde das Material des Rohres 5 so gewählt, dass die umgekehrte Spannung entsteht, so würden sich bei unterschiedlichen Durchflussmengen Nichtlinearitäten oder gar umgekehrte Ausgangsspannungen in bestimmten Strömungsbereichen zeigen. Man kann selbstverständlich auch das Rohr 5 als aktives Element betrachten und die Rohre 3 und 7 als Isolatoren auffassen, die einen Kurzschluss der Spannung an den Elektroden über die Masseverbindungen verhindern. Die Länge aller Teilstücke ist so zu wählen, dass die Leitfähigkeit der Flüssigkeitssäule selber noch einen guten Wirkungsgrad zulässt.According to the polarities shown in FIG. 1, the two tubes are 2 and 8 because of the mentioned ground connections in series, so that without the existence of the element 5 the voltage across the electrodes twice the element voltage would correspond. Tube 5 should ideally be made of a very good insulating material exist. However, such insulating materials themselves contain free charge carriers, which are influenced by the flowing medium, so that a corresponding charge over this section arises, which in the case of the indicated polarity in the same sense how the useful voltage is at the electrodes. To avoid equalizing currents, the material and the length of the element 5 are expediently chosen so that the voltage above it is equal to the sum of the stresses of the sections 3 and 7 will. The material of the tube 5 would be chosen so that the reverse tension arises, there would be non-linearities with different flow rates or even show reverse output voltages in certain flow ranges. You can of course also consider the tube 5 as an active element and the Regard tubes 3 and 7 as insulators, which short-circuit the voltage to the Prevent electrodes over the earth connections. The length of all sections is so choose that the conductivity of the liquid column itself still allows a good degree of efficiency.

Fig. 2 zeigt die Elektrodenanordnung im Falle einer leitenden Flüssigkeit als Medium. Die Anordnung umfasst zwei äussere metallische Rohre 10 und 11 sowie ein aus ringförmigen Lamellen zusammengesetztes Element 12. Die Lamellen bestehen aus reibungselektrischem Material. Aussen sind die Lamellen durch eine ringförmige Elektrode 13 zusammengefasst. Die Wirkungsweise entspricht weitgehend dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel, mit dem Unterschied, dass die Ladungsverschiebung statt in lateraler Richtung transversal ausgenützt wird. Dies ist nötig, weil eine leitende Flüssigkeit in einer Anordnung nach Fig. 1 die Elektroden kurzschliessen würde. Fig. 2 shows the electrode arrangement in the case of a conductive liquid as a medium. The arrangement comprises two outer metallic tubes 10 and 11 as well an element 12 composed of annular lamellae. The lamellae consist made of triboelectric material. On the outside, the lamellas are ring-shaped Electrode 13 combined. The mode of operation largely corresponds to that in Fig. 1, with the difference that the charge shift takes place is used transversely in the lateral direction. This is necessary because a senior Liquid in an arrangement according to FIG. 1 would short-circuit the electrodes.

Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung, welche einen Impedanzwandler-Verstärker für einen Messwandler 1 gemäss Fig. 1 darstellt, besteht aus einem Doppel-Feldeffekt-Transistor (Dual-FET) 20, an dessen Basen die Elektroden des Messwandlers 1 angeschlossen sind. Der Dual-FET erlaubt in der gezeigten Anordnung eine minimale thermische Drift, sowie eine symmetrische Verstärkung der beiden Polaritätssignale der Elektroden gegen Masse, wodurch die Serienschaltung der Messfühlerelemente möglich wird. The circuit shown in Fig. 3, which is an impedance converter amplifier for a transducer 1 according to FIG. 1, consists of a double field effect transistor (Dual-FET) 20, to whose bases the electrodes of the transducer 1 are connected. In the arrangement shown, the dual FET allows minimal thermal drift, as well as a symmetrical amplification of the two polarity signals of the electrodes to ground, which enables the sensor elements to be connected in series.

Ein Potentiometer 21, das nach Massgabe der Ansprechgeschwindigkeit hochohmig ist, dient zur Nullpunkteinstellung sowie der ZufUhr der Basisvorspannungen, deren Grösse den Arbeitspunkt der Transistoren mittels einem weiteren Potentiometer 22 bestimmen lässt. Die Arbeitswiderstände werden durch ein drittes Potentiometer 23 gebildet, an dem zusammen mit dem Potentiometer 21 der Nullpunkt eines Anzeigeinstrumentes 24 für minimale thermische Drift eingestellt werden kann. A potentiometer 21, depending on the response speed is high resistance, is used for zero point adjustment and the supply of the basic bias voltages, whose size determines the operating point of the transistors by means of another potentiometer 22 determine leaves. The work resistances are through a third Potentiometer 23 is formed on which, together with the potentiometer 21, the zero point a display instrument 24 can be set for minimal thermal drift.

Eine Diode 25 unterdrückt durch ihre Schwellenspannung allfällige Nullpunktschwankungen, die durch die sehr hohen Rauschwiderstände der Messfühleranordnung im Bereich des Funkelrauschens auftreten können. Die Wahl des Masseanschlusses am Schleifer des Potentiometers 21 dient ebenfalls der Nullpunktstabilisierung. Damit wird erreicht, dass bei der Geschwindigkeit Null die Elektroden 8 und 6 sowie die Rohrteile 2 und 8 auf Massepotential liegen und zwischen ihnen keine Spannungsdifferenz besteht. Durch die symmetrische Anordnung der Verstärkerzweige wird ferner erreicht, dass unterschiedlich leitende Medien keine Nullpunktverschiebung verursachen, da beide Elektroden ohne Durchfluss auf demselben Potential liegen.A diode 25 suppresses any possible through its threshold voltage Zero point fluctuations caused by the very high noise resistance of the sensor arrangement can occur in the area of the flicker noise. The choice of the ground connection on the The wiper of the potentiometer 21 also serves to stabilize the zero point. In order to it is achieved that at zero speed the electrodes 8 and 6 as well as the Pipe parts 2 and 8 are at ground potential and there is no voltage difference between them consists. The symmetrical arrangement of the amplifier branches also achieves that different conductive media do not cause a zero point shift, because both electrodes are at the same potential without flow.

Selbstverständlich lassen sich anstelle des gezeigten Feldeffekttransistors beliebige andere, mit einem hochohmigen Eingangswiderstand versehene Verstärkerelemente verwenden. Der Gleichstromverstärker kann auch durch einen Wechselspannungsverstärker im Chopperbetrieb ersetzt werden. Ebenso kann die.Of course, instead of the field effect transistor shown any other amplifier elements provided with a high-impedance input resistance use. The DC amplifier can also be an AC voltage amplifier be replaced in chopper mode. The.

Auswertung des Ausgangssignals auf beliebige andere Weise, beispielsweise digital, erfolgen. Beispielsweise ist es möglich den Wandler in einem fluidischen Digitalrechner zu verwenden, um den Uebergang zur elektronischen Datenverarbeitung zu bewerkstelligen. Ferner ist es nicht unbedingt erforderlich, das Abtastelement als Rohr auszubilden. Dies stellt nur eine besonders zweckmässige und bevorzugte Form dar, da das Abtastelement in diesem Fall gleichzeitig als Strömungskanal dient und damit ein einfacher Aufbau gegeben ist. Es lassen sich Anordnungen aufbauen, bei denen ein Element aus reibungselektrischem Material, beispielsweise mit einem festen Körper in mechanischem Kontakt steht, wobei das Element durch eine Relativbewegung gegenüber dem Körper elektrostatisch aufgeladen wird. Auch die Bewegung elastischer Medien lässt sich nach diesem Prinzip erfassen. Die Vorrichtung hat eine äusserst hohe Anzeigeempfindlichkeit, die auf die optimale Anpassung durch den extrem hohen Eingangswiderstand des Feldeffekttransistors zurückzuführen ist.Evaluation of the output signal in any other way, for example digital. For example, it is possible the converter in to use a fluidic digital computer to make the transition to the electronic To accomplish data processing. Furthermore, it is not absolutely necessary to form the scanning element as a tube. This is only a particularly useful one and preferred form, since the sensing element in this case also acts as a flow channel is used and thus a simple structure is given. Arrangements can be set up in which an element made of triboelectric material, for example with a solid body is in mechanical contact, the element by a relative movement is electrostatically charged to the body. The movement is also more elastic Media can be recorded according to this principle. The device has an extremely high display sensitivity, which is based on the optimal adaptation through the extremely high Input resistance of the field effect transistor is due.

Da das Element 5 sowie die Isolierteile 3 und 7 auch aus Halbleitermaterial bestehen können, ist es möglich, einen derartigen Messwandler in Form einer integrierten Anordnung herzustellen.Since the element 5 and the insulating parts 3 and 7 also made of semiconductor material can exist, it is possible to have such a transducer in the form of an integrated Establish arrangement.

Dabei kann sogar ein als Verstärkerelement vorgesehener Feldeffekttransistor mit in diese Anordnung integriert werden.A field effect transistor provided as an amplifier element can even be used to be integrated into this arrangement.

Ferner sei noch erwähnt, dass die Elektroden 4 und 6 innen, aussen oder stumpf gegenüber dem als Rohr ausgebildeten Element 5 angebracht sein können. Für jede dieser Ausbildungen ändert sich jedoch je nach dem verwendeten Material der Wirkungsgrad sowie die Ansprechgeschwindigkeit der Anordnung; In einer praktischen Ausführung zur Messung der Durchflussmenge von Reinbenzin mit sehr hohem Widerstand betrug der lichte Durchmesser eines nach Fig. 1 ausgeführten Messwandlers 6 mm. An die Elektroden war ein Impedanzwandler-Verstärker nach Fig. 3 angeschlossen. Am Instrument 24 konnten über zwei Skalenbereiche 0,3 und 3 Volt Durchflussmengen von einzelnen Tropfen bis zu 0,5 Ltr./Min. festgestellt werden. Die Nullpunktstabilität war auch auf dem empfindlicheten Bereich ausgezeichnet. Die Ansprechgeschwindigkeit der Anordnung war schneller als die Trägheit des Messinstrumentes. Die Betriebsspannung betrug 9 Volt. Durch die Wahl des Durchmessers und der Länge der Messfühlerelemente lässt sich der Arbeitsbereich sowie die Empfindlichkeit der Messanordnung weitgehend bestimmen. Bei einer Richtungsänderung der Strömung ändert sich die Polarität an den Elektroden 4 und 6.It should also be mentioned that the electrodes 4 and 6 are inside, outside or can be attached butt against the element 5 designed as a tube. For each of these trainings changes however, depending on the one used Material the efficiency as well as the speed of response of the arrangement; In a practical design for measuring the flow rate of pure gasoline with a very high Resistance was the clear diameter of a transducer designed according to FIG. 1 6 mm. An impedance converter amplifier according to FIG. 3 was connected to the electrodes. The instrument 24 showed flow rates of 0.3 and 3 volts over two scale ranges from single drops up to 0.5 l / min. to be established. The zero point stability was also excellent on the sensitive area. The speed of response the arrangement was faster than the inertia of the meter. The operating voltage was 9 volts. By choosing the diameter and length of the probe elements the working range and the sensitivity of the measuring arrangement can be largely adjusted determine. When the direction of the flow changes, the polarity changes electrodes 4 and 6.

Claims (10)

Patent ansprüche Patent claims Bewegungselektris cher Wandler mit Mitteln zum Feststellen einer Relativbewegung gegenüber einem festen, flüssigen oder gasförmigen Medium, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mit dem Medium in Berührung stehendes Element (5) aus reibungselektrischem Material vorgesehen ist, an welchem bei Auftreten einer Relativbewegung gegenüber dem Medium eine Kontaktspannung entsteht, dass mindestens eine am Element angebrachte bzw. vom Medium berührte Elektrode (4, 6) vorgesehen ist, welche mit dem Eingang eines angepassten Verstärkers verbunden ist, und dass mindestens das Element und die Elektrode von einem Faraday'schen Käfig (9) umgeben sind.Motion electrical converter with means for determining a relative movement compared to a solid, liquid or gaseous medium, characterized in that that at least one element (5) in contact with the medium is made of triboelectric Material is provided on which when a relative movement occurs the medium creates a contact tension that at least one applied to the element or electrode (4, 6) that is in contact with the medium is provided, which is connected to the input a matched amplifier is connected, and that at least the element and the electrode is surrounded by a Faraday cage (9). 2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element als ein von einem strömenden Medium durchflossenes Rohr ausgebildet ist. 2. Converter according to claim 1, characterized in that the element is designed as a pipe through which a flowing medium flows. 3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden des Elementes (5) mit dem Eingang des Signalverstärkers verbundene Elektroden (4, 6) angeordnet sind. 3. Converter according to claim 2, characterized in that at the ends of the element (5) connected to the input of the signal amplifier electrodes (4, 6) are arranged. 4. Wandler nach Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, dass das als Strömungskanal ausgebildete rohrförmige Element (5) über Rohre (3, 7) aus reibungselektrischem Material in elektrisch leitende Eingangs- und Ausgangsleitungen (2, 8) Ubergeht. 4. Converter according to claim. 2, characterized in that the as Flow channel formed tubular element (5) over Tube (3, 7) of triboelectric material in electrically conductive input and output lines (2, 8) Passes over. 5. Wandler nach Anspruch4» dadurch gekennzeichnet, dass der Faraday'sche Käfig mit den Eingangs- und Ausgangsleitungen (g, 8) in elektrischer Verbindung steht.5. converter according to claim 4 »characterized in that the Faraday's Cage with the input and output lines (g, 8) in electrical connection stands. 6. Wandler nach anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalverstärker mindestens einen Feldeffekttransistor umfasst.6. Converter according to claim 1, characterized in that the signal amplifier comprises at least one field effect transistor. 7. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er als integrierte Halbleiteranordnung ausgebildet ist.7. Converter according to claim 1, characterized in that it is an integrated Semiconductor arrangement is formed. 8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker wenigstens teilweise in die Halbleiteranordnung integriert ist.8. Converter according to claim 7, characterized in that the amplifier is at least partially integrated into the semiconductor arrangement. 9. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faraday'sche Käfig evakuiert oder mit einem Schutzgas gefüllt ist.9. Converter according to claim 1, characterized in that the Faraday's The cage is evacuated or filled with a protective gas. 10. Verwendung eines Wandlers nach Anspruch 1, als stromungselektrischer Wandler in einem fluidischen Rechner zum Uebergang auf elektrische oder elektronische Datenverarbeitung. Leerseite10. Use of a converter according to claim 1, as a current electrical Converter in a fluidic computer for the transition to electrical or electronic Data processing. Blank page