DE2555185A1 - Vorrichtung zur messung von elektrischen ladungsmengen - Google Patents
Vorrichtung zur messung von elektrischen ladungsmengenInfo
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Description
Patentanwälte Dipl.-Ing. H.Wfickmann, Dipl.-Phys. Dr.K.Fincke
Dipl.-Ing. RAAX7EICKMANn, Dipl.-Chem. B. Huber
8 MÜNCHEN 86, DEN
POSTFACH 860 820
MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22
AGENCE NATIONALE DE VALORISATION DE LA RECHERCHE (ANVAR)
13, rue Madeleine Michelis,
F-92522 Neuilly-sur-Seine /Frankreich
Vorrichtung zur Messung von elektrischen Ladungsmengen.
Die Erfindung betrifft die Vorrichtungen zur Messung
von elektrischen Ladungsmengeη oder anderen Parametern,
wie elektrischen !Spannungen oder elektrischen Strömen, deren Messung auf die Messung von elektrischen Ladungsmengen zurückgeführt
werden kann. Die Erfindung betrifft im besonderen, wenn auch nicht ausschließlich, derartige Vorrichtungen zur Messung
—10 —6 ?
von zwischen 5·1θ ' und 5.10 Coulomb/cm liegenden Oberflächendichten
von elektrischen Ladungen, von zwischen - 2500 und + 25ΟΟ V liegenden elektrischen Spannungen und zwischen
10 ' und 10 ^k liegenden elektrischen Strömen.
Es ist wohlverstanden, daß der Ausdruck "Messung" in den vorliegenden Ausführungen sowohl eine eigentliche, in
der Anzeige einer zahlenmäßigen oder anderen Angabe an einem geeigneten Apparat bestehende Messung mit oder ohne Aufzeichnung
als auch die Bestimmung einer Größe umfasst, welche unmittelbar ohne besondere Anzeige zu Zwecken der Alarmgabe, der
automatischen Berichtigung oder dgl. ausgewertet wird.
Die Erfindung betrifft im besonderen von derarti-
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gen Meßvorrichtungen solche mit einem Kondensator, Mitteln zur
Induzierung von elektrischen Ladungen durch den zu messenden Parameter auf einer der beiden Belegungen dieses Kondensators,
nachstehend Meßbelegung genannt, Mitteln zur Modulation der Mengen dieser induzierten Ladungen mit einer ersten Frequenz
f , und Mitteln, welche zum Zwecke der Messung dieses Parameters eine elektrische Wechselgröße mit der Frequenz f auswerten,
welche an die so modulierten Ladungsmengen gebunden ist.
In den bisher bekannten Meßvorrichtungen dieser Art hängt die betreffende elektrische Größe nicht nur von dem
zu messenden Parameter ab, sondern auch von dem mittleren Abstand d zwischen der Meßbelegung einerseits und der anderen Belegung
und/oder einem Zwischenträger, an welchem dieser Parameter auftritt, andererseits.
Wenn dieser Abstand d zeitlich konstant bleibt, kann sein Einfluß auf die vorgenommene Messung durch eine einfache
Eichung ausgeglichen werden. Er kann sogar ohne Nachteil vernachlässigt werden, wenn diese Messung eine Folge von Ablesungen
betrifft, an deren jeder dieser Einfluß der gleiche ist, so daß dann die Änderungen des gemessenen Parameters in
keiner Weise durch den Wert dieses Abstands beeinflusst werden.
Wenn sich jedoch dieser Abstand ändert, können diese Änderungen die Messung stören. Dies ist insbesondere der
Fall, wenn die zu untersuchenden elektrischen Ladungen von einem endlosen Träger (Scheibe, Trommel, Band oder dgl·) aus
einem isolierenden oder halbleitenden Material getragen werden, welcher zwischen den Belegungen des Meßkondensators zur
"Ablesung" der aufgezeichneten Informationen vorbeiläuft, welche
den besonderen Verteilungen dieser elektrischen Ladungen auf dem Träger und ihren örtlichen Dichten entsprechen.
Die Erfindung bezweckt insbesondere, derartige
Meßvorrichtungen so auszubilden, daß die Änderungen des Abstahds d automatisch bestimmt und vorzugsweise jederzeit ausgeglichen
werden.
Hierfür sind derartige Meßvorrichtungen erfindungsgemäß
wesentlich dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel, welche
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die an der Meßbelegung induzierten Ladungsmengen mit einer zweiten
Frequenz f. modulieren, welche kleiner als fo/2 ist, wodurch
diese elektrische Größe mit der Frequenz f. moduliert
wird, und Mittel, welche den mit der Frequenz f. modulierten
Teil dieser Größe zum Zwecke der Meßung und/oder Berichtigung auswerten, enthalten.
Die Erfinder haben nämlich festgestellt, daß dieser mit der Frequenz f^ modulierte Teil gleichzeitig von dem Meßparameter
unabhängig und von dem Abstand d abhängig ist. Man kann ihn daher in eindeutiger Weise zum Ausgleich dieses Abstands
benutzen, indem man ihn insbesondere auf eine schnell ansprechende Steuerung wirken lasst, welche so ausgebildet ist,
daß sie jederzeit diesen Abstand d in dem Sinn verändert, welcher zu diesem Augenblick diesen modulierten Teil zu Null zu
machen sucht·
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung können
außerdem das eine und/oder das andere der nachstehenden Merkmale aufweisen:
- Eine Belegung des Kondensators ist so ausgebildet, daß sie in Richtung auf die andere mechanische Schwingungen
ausführen kann.
- Die Mittel zur Modulation mit der Frequenz f. arbeiten
durch Anlegung einer elektrischen Spannung der Frequenz f. an die Belegungen des Kondensators.
- Die Mittel zur Modulation mit der Frequenz f,, arbeiten
durch abwechselnde Verschiebung einer der Belegungen des Kondensators parallel zu der anderen, mit dieser Frequenz f^.
- Ih einer gemäß dem vorhergehenden Absatz ausgebildeten Meßvorrichtung gehört die mit der Frequenz f^ verschiebliche
Belegung einem Ablesekopf an und umfasst zwei Elektroden, deren jede in eine auf die andere Belegung gerichtete Spitze
ausläuft, wobei eine dieser Elektroden einer ersten Spur gegenüber angeordnet ist, welche die elektrischen Ladungen trägt,
deren längs dieser Spur veränderliche Mengen gemessen werden sollen, während die andere, zur Führung des Kopfs bestimmte
Elektrode einer zweiten Spur gegenüber angeordnet ist, welche auf ihrer ganzen länge elektrische Ladungen konstanter Dichte
trägt, wobei diese beiden Spuren parallel zueinander auf dem
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gleichen, zwischen den beiden Belegungen hindurchlaufenden
isolierenden oder halbleitenden Träger angeordnet sind.
- Bei einer gemäß dem vorhergehenden Absatz ausgebildeten Vorrichtung ist der Träger eine Scheibe, und die
zv/eite Belegung wird durch eine Metallschicht gebildet, welche die dem Kopf abgewandte Seite dieser Scheibe überzieht, wobei
die beiden Spurenjdie Form von Spiralen haben·
- Bei einer Vorrichtung gemäß dem vorhergehenden Absatz sind die beiden Elektroden so miteinander verbunden, daß
sie unabhängig voneinander frei schwingen können, daß aber ihre gegenseitigen mittleren Stellungen die gleichen bleiben, wobei
die Schwingungen mit der Frequenz f. nur an die zweite Elektrode
angelegt werden.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.
Fig. 1 ist ein Prinzipschema der Arbeitsweise der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von elektrischen Ladungsmengen.
Fig. 2, 3 und 4 zeigen schematisch drei Ausführungsabwandlungen
derartiger erfindungsgemäßer Vorrichtungen.
Fig. 5 ist ein Schaubild zur Erläuterung eines
Merkmals der Vorrichtung der Fig. 4.
Fig. 6, 7 und 8 zeigen schematisch drei Ausführung sabwandlungen von Mitteln, welche in den betrachteten Vorrichtungen
zur Vornahme der Modulation mit der Frequenz f benutzbar sind.
Das Schema der Fig. 1 zeigt das Prinzip der Erfindung.
Der Meßkondensator ist in ihm durch seine beiden Belegungen oder Elektroden dargestellt, nämlich eine erste
Meßbelegung 1 und eine zweite, hier mit der Masse verbundene Belegung 2. ■
Die elektrischen Ladungen, deren Mengen oder örtliche Dichten untersucht werden sollen, werden hier von einem
Träger 3 aus einem isolierenden oder halbleitenden Material getragen, welcher von den beiden Belegungen getrennt dargestellt
ist, aber in zahlreichen interessanten Anwendungen mit wenigstens
einer Belegung in Berührung steht, v/obei die Belegung 2 zweckmässig durch die einfache Metallisierung der der Belegung
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1 abgewandten Seite dieses Trägers gebildet wird.
Auf dem Gebiet der Elektrometer mit schwingendem Kondensator ist es bekannt, zur Messung der Menge χ der von dem
Träger 3 getragenen elektrischen Ladungen mit einer Frequenz f die durch diese Ladungen χ 2^11 ^er Meßbelegung 1 induzierten
elektrischen Ladungsmengen £ zu modulieren, hierauf eine für den mit der Frequenz f der Menge 2 modulierten Teil kennzeichnende
elektrische Größe f; zu bilden und schließlich diese Grösse
£ zu messen, welche eine Funktion der Ladungsmenge χ ist·
Nachstehend ist d der Abstand zwischen der Meßelektrode 1 und dem Träger 3 oder der Belegung 2 genannt, was
auf das gleiche hinausläuft, wenn der Träger 3 mit dieser
letzteren Belegung in Berührung bleibt.
Die Änderungen dieses Abstands d beeinflussen die
Messung der Menge x.
Es ist daher zweckmässig, diese Änderungen zu
Null zu machen oder auszugleichen, wenn sie auftreten, wie dies bei der Ablesung von Informationen der Fall ist, welche in
Form von elektrischen Ladungsmengen auf einem endlosen Element aufgezeichnet sind, welches den obigen Träger bildet und zwischen
den Belegungen 1 und 2 hindurchläuft.
Hierfür wird erfindungsgemäß die Menge 2 ^ei* 8^
der Meßbelegung induzierten Ladungen mit einer zweiten Frequenz f. moduliert, welche erheblich kleiner als fQ ist.
Die Größe jj wird dann gleichzeitig mit den beiden Frequenzen f und f. moduliert, und merkwürdigerweise hängt
der mit der Frequenz f. modulierte Teil dieser Größe £ von dem
Abstand d ab, aber nicht von dem Meßparameter x. Dieser Teil ist es, welcher den elektrischen Ausdruck t bildet, welcher so
ausgewertet wird, daß er automatisch die gewünschte Berichtigung bewirkt, wie dies in Fig. 1 schematisch durch den Pfeil F dargestellt
ist.
Der Pfeil F1 dieser Figur stellt schematisch eine
etwaige .Rückführung des Hauptergebnisses der Messung in den Kreis zum Zwecke der Ausübung einer Nullmethode dar.
Die Frequenz fQ liegt im allgemeinen zwischen
100 Hz und MHz, und beträgt zweckmässig größenordnungsmäßig
50 bis 100 kHz.
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Die Frequenz f. ist kleiner als £Q/2 und im
allgemeinen kleiner als fQ/5 und sogar als fQ/1O. Sie ist im
allgemeinen größer als f /100. Je größer sie ist, umso schneller spricht das System an, aber umso labiler wird es.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2, 3 und 4 sind nachstehend drei Ausführungsformen der obigen Meßvorrichtung genauer
beschrieben.
Die erste, in Fig. 2 schematisch dargestellte ' Ausführungsform betrifft ein Elektrometer der in der deutschen
Patentanmeldung Nr. P 24 55 461.8 der Anmelder in vom 22. November 1974 beschriebenen Art.
Der durch diese Patentanmeldung bekannte Apparat enthält:
- eine Spannungsquelle 4, welche eine elektrische Erregerwechselspannung V mit der Frequenz f erzeugt,
welche zwischen die Belegungen 1 und 2 über einen Vervielfacher 5 und einen Isoliertransformator 6 geschaltet ist,
- einen Detektor 7 zur Feststellung mechanischer
Schwingdngen, welcher mit einer der Belegungen, z.B. der Belegung 1, verbunden ist und eine elektrische Spannung g mit
der gleichen Frequenz wie diese Schwingungen bilden kann, deren Amplitude zu der Amplitude der Schwingungen proportional '
ist (piezoelektrische, elektrostatische, elektromechanisch©, optische oder andere Sonde),
- einen mit der Spannung £ gespeisten selektiven Verstärker 8, dessen Bandbreite auf die Frequenz fQ zentriert
ist,
- einen synchronen Detektor 9» welcher einerseits das aus dem Verstärker 8 kommende Signal und andererseits
als Bezugsspannung einen Teil der Spannung VQ empfängt,
welcher so phasenverschoben ist, daß er mit der Komponente mit der Frequenz f dieses Signals in Phase ist,
- und eine Kette von Organen 10, welche die
Ausgangsgröße des synchronen Verstärkers 9 zum Zwecke der ge-*
wünschten Messung und vorzugsweise außerdem zum Zwecke der teilweisen Rückführung einer Spannung U auswertet, welche an
die gemessene Größe χ gebunden ist und an die Klemmen des Kondensators 1, 2 angelegt wird, so daß die Ausübung einer NuIl-
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methode möglich wird·
Außerdem werden erfindungsgemäß folgende Maßnahmen
getroffen:
- Der Apparat enthält eine Spannungsquelle 11, welche eine Wechselspannung V. mit der frequenz f, erzeugt,
welche erheblich kleiner als fQ ist, welche wie die Spannungsquelle 4 an die Klemmen des Kondensators 1,2 ebenfalls über
einen Isoliertransformator 12 angeschlossen ist, wobei die nicht an die zugeordneten Spannungsquellen angeschlossenen
Wicklungen der beiden Transformatoren 6 und 12 bddemit der Belegung
1 in Reihe geschaltet sind,
- es ist vorgesehen, daß die auf die Frequenz
f zentrierte Bandbreite des selektiven Verstärkers 8 auf halber
Höhe eine Breite von wenigstens gleich 2 f^, hat,
- und auf den Ausgang des synchronen Verstärkers 9 folgen nacheinander ein selektiver Verstärker 13, dessen
Bandbreite auf die Frequenz f. zentriert ist, ein zweiter synchroner
Verstärker 14, welcher das von dem Verstärker 13 kommende
Signal und als Bezugs spannung einen Teil der Spannung Yy,
empfängt, welcher so phasenverschoben ist, daß er mit der Komponente mit der Frequenz f. des Signals in Phase ist, ein Differentialverstärker
15» dessen einer .Eingang mit dem Ausgang des zweiten synchronen Detektors 14 und dessen anderer Eingang
mit einer Gleichspannungsquelle 16 verbunden ist, und ein die Ausgangsgröße des Differentialverstärkers 15 empfangender Integrierverstärker
17·
Das Ausgangssignal i; dieses Integrierverstärkers wird an den Vervielfacher 5 so angelegt, daß jederzeit die
Spannung V automatisch um die Größe berichtigt wird, welche erforderlich ist, um an der Stelle der Messung die Änderungen
des Abstands d elektrisch auszugleichen.
Dies ist möglich, da diese Spannung t von dem Abstand d und nicht von der zu messenden Menge χ abhängt.
Die Spannung jg ist nämlich durch die Formel gegeben:
g = ξ (U-X + V0 sin 2TTf0 t + V1 sin 27Tf1t)2.
In dieser Formel ist:
- K eine von der Empfindlichkeit des Schwingungsdetektors 7 abhängende Konstante,
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- L eine länge, welche gleich dem Mittelv/ert
des Abstands d ist, welcher gewichtet ist, um die relative Permit ivität der zwischen den Belegungen befindlichen dielektrischen
Medien zu berücksichtigen,
- U die durch die Kette 10 an die Klemmen des Kondensators 1, 2 angelegte zurückgeführte Spannung,
- X die zu untersuchende "gleichwertige Spannung der Probe", welche von den zu messenden Ladungsmengen χ
und den das System kennzeichnenden geometrischen Größen abhängt,
- V0 die Amplitude der Spannung V0,
- V1 die Amplitude der Spannung Vx..
Man sieht, daß bei einer Änderung der Länge L sich die Spannung g ebenfalls ändert.
Durch Entwicklung des obigen Ausdrucks erhält man als Ausdruck g bei der Frequenz f den folgenden Ausdruck:
go = "ΊΓ [(U~X) vo + vov1 sin 27rfW sin 21^o*
Dieser Ausdruck g hat die Form: (A + B) sin 2TTfot
worin die beiden Koeffizienten A und B von dem Abstand d abhängen,
wobei jedoch nur der von der Frequenz f^, unabhängige
Koeffizient A von X abhängt, während der mit der Frequenz f,.
modulierte Koeffizient B nicht von X abhängt.
Die auf die obige Vifeise gebildete Spannung t
ist letzten Endes eine Spannung, deren Amplitude an den Koeffizienten B gebunden ist und daher in eindeutiger Weise zur
Vornahme der gewünschten AbStandsberichtigung benutzt werden
kann. Hierfür genügt es, sie an einer zweckmässigen Stelle des Kreises so einzuführen, daß sie den Einfluß des betrachteten
Abstands d auf die Spannung g vollständig ausgleicht, wobei
zu berücksichtigen ist, daß diese Spannung zu dem Quadrat des Abstands d umgekehrt proportional ist.
Ein Gleichspannungsverstärker 18 und/oder ein Differentiierverstärker 19 sind vorzugsweise parallel an den
Integrierverstärker 17 geschaltet, wodurch das Ansprechen des
Kreises schneller und sicherer gemacht wird.
Bei der zweiten, schematisch in Fig. 3 darge-
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stellten Ausführungsform wird die durch die Spannungsquelle 4-erzeugte
Wechse!spannung VQ mit der !Frequenz fQ über den Vervielfacher
5 an ein Organ 20 angelegt, welches die empfangene elektrische Spannung in mechanische Schwingungen umwandeln
kann (piezoelektrische, elektrostatische, elektromechanische oder andere Vorrichtung).
Dieses Organ 20 ist starr mit einer Belegung
des Meßkondensators verbunden, hier mit der Belegung 1, während die andere Belegung 2 festliegt.
Die die Wechselspannung V^ mit der Frequenz
f, liefernde Spannungsquelle 11 ist noah mit den Klemmen 1,2
des Meßkondensators über einen Isoliertransformator 12 verbunden.
Die an den Klemmen 1, 2 des Kondensators abgenommene
Spannung g_ wird an ein Filter 81 angelegt, dessen
Bandbreite auf die Frequenz fQ zentriert ist, und deren Breite
auf halber Höhe wenigstens 2f^ beträgt. Die anderen Organe 9»
10 und 15 bis 19 des Kreises sind die gleichen wie vorher, mit
dem alleinigen Unterschied, daß der selektive Verstärker 13
durch das Filter 131 mit einer auf die Frequenz f.- zentrierten
Bandbreite ersetzt wurde.
Wie oben kann der von dem Kondensator 1, 2
kommende Strom (und somit die entsprechende Spannung g) als die
Summe von zwei Ausdrücken angesehen werden, welche beide an den Abstand d gebunden sind, von denen jedoch die eine, von der
Frequenz f, unabhängige, an die zu messende Ladungsmenge χ gebunden
ist, während die andere, mit der Frequenz f,- modulierte,
von χ unabhängig ist.
Die dritte, schematisch in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform betrifft eine Vorrichtung zur Ablesung der
auf einer rotierenden isolierenden Scheibe 21 in Form von längs einer spiraligen Spur 22 aufgezeichneten elektrischen Ladungen
gespeicherten Information. In dieser Vorrichtung wird der Ablesekopf 23 mit großer Genauigkeit gleichzeitig in Richtung der
nachstehend als lotrecht angenommenen Achse der Scheibe und in einer radialen Richtung dieser Scheibe geführt.
Die nicht schwingende Belegung der vorhergehenden Ausführungen wird hier durch eine Metallisierung 24 der
Unterseite der Scheibe 21 gebildet.
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Die Oberseite der Scheibe 21 trägt einerseits die Spur 22, auf v/elcher die abzulesende Information aufgezeichnet
wurde, und andererseits mit den aufeinanderfolgenden
Windungen dieser Spur 22 verschachtelt eine zweite spiralige Spur 25t welche auf ihrer ganzen länge elektrische Ladungen
konstanter Dichte trägt und in der nachstehend erläuterten Weise als Führungsspur dient.
Jede der beiden parallelen Spuren 22 und 25 hat eine vorzugsweise zwischen 0,5 Mikron und 2 mm liegende mittlere
Breite Prund jede Spur ist von der Nachbar spur auf der
Scheibe durch einen Zwischenraum I von der gleichen Größenordnung
wie P getrennt.
Man sieht in Fig. 5 die als Ordinaten aufgetragene Dichte <3 der elektrischen Ladungen längs eines Halbmessers
der Oberseite der Scheibe 21, während die betreffenden längen r der Halbmesser als Abszissen aufgetragen sind.
Die Ablesevorrichtung umfasst im wesentlichen
zwei leitende Nadeln 26 und 27» deren Spitzen Durchmesser D von
der gleichen Grössenordnung wie P haben, wobei natürlich diese Durchmesser D jedenfalls kleiner als die Summe P + 2 I sein
müssen.
Diese beiden Nadeln 26 und 27 bilden die schwingende Belegung der vorhergehenden Ausführungsformen.
Ihre Spitzen sind den beiden Spuren 22 und 25 gegenüber über diesen angeordnet.
Sie sind miteinander so verbunden, daß ihre gegenseitigen
mittleren Stellungen festliegen, daß sie Jedoch unabhängig voneinander schwingen können.
Die zur Ablesung der von der Spur 22 getragenen Informationen bestimmte Nadel 26 ist mit einer elektromechanischen
Vorrichtung 20 verbunden, welche in der oben unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebenen Weise ausgebildet ist und erregt
wird, und die zwischen dieser Nadel 26 und der Metallschicht 24 abgenommene Spannung wird durch eine Anordnung 28 der vorhergehenden
Art ausgewertet.
Die Nadel 27 soll den Ablesekopf sowohl waagerecht als auch lotrecht in Bezug auf die Spur 25 führen. Sie
ist starr mit zwei elektromechanischen Vorrichtungen 29 und 30
verbunden, welche die an sie angelegten elektrischen Wechsel-
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spannungen in mechanische Schwingungen gleicher Frequenz in einer lotrechten Richtung "bzw. einer radialen Richtung der
Scheibe 21 umwandeln.
Eine Spannungsquelle 4- für die Wechselspannung V
mit der Frequenz f erregt die Vorrichtung 29 und eine Spannungsquelle
11 für die Wechselspannung V. mit der Frequenz f.
erregt die Vorrichtung 30.
Hierauf findet man zwischen der Nadel 27 und der Metallschicht.24 die oben beschriebene Kette von elektronischen
Organen, nämlich das Filter 81 mit der auf fQ zentrierten Bandbreite
mit einer Breite auf halber Hohe von wenigstens 2f^>den
synchronen Detektor 9, dessen Bezugsspannung ein Teil der Spannung
VQ ist, das Filter 13! mit der auf die Frequenz f. zentrierten
Bandbreite, und den synchronen Detektor 14, dessen Beζugsspannung ein Teil der Spannung Y. ist.
Die Ausgangsspannung des synchronen Detektors 14 enthält die Information "waagerechter Abstand zwischen der Nadel
27 und der Mitte der gegenüberliegenden Führungsspur 25"·
Diese Spannung wird so ausgewertet, daß die xvaagerechte Stellung des Ablesekopfs 23 automatisch in dem waagerechten Sinn
verändert wird, welcher die Nadel 27 jederzeit von neuem auf die Spur 25 zentriert, und zwar mit Hilfe von beliebigen elektrischen,
mechanischen, pneumatischen, hydraulischen oder anderen Mitteln 31 zur Verstärkung, Detektion und Steuerung.
Für die lotrechte Berichtigung der Stellung des Kopfs 23 braucht der zweite synchrone Detektor nicht benutzt
zu werden.
Man legt die Ausgangsgröße des ersten synchronen Detektors 9 unmittelbar an den ersten Eingang eines Summier-
oder Differentialverstärkers 32 an, dessen zweiter Eingang mit einer regelbaren Gleichspannungsquelle 33 verbunden ist. Der
nicht mit der Frequenz f. modulierte Teil der Ausgangsspannung
dieses Verstärkers 32 bleibt nämlich konstant, wenn der lotrechte Abstand d zwischen der Nadel 27 und der Spur 25 sich
nicht ändert, während er bei einer Zunahme dieses Abstands d zunimmt, und umgekehrt, so daß dieser Teil durchaus das gewünschte
Fehlersignal bilden kann.
Dieser Teil wird in elektrischen, mechanischen, pneu-
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matisehen, hydraulischen oder anderen geeigneten Mitteln 34-zur
Filterung, Detektion, Verstärkung und Steuerung ausgewertet, um automatisch die Höhe des Ablesekopfs 23 gegenüber der Scheibe
21 in dem Sinn zu verändern, welcher den Abstand d zwischen diesen beiden Elementen konstant hält.
Die Führungsspur 25 kann auf beliebige gewünschte
Weise hergestellt werden, insbesondere dadurch, daß auf die Scheibe eine konstante Ladungsdichte oder ein Metalldraht kleinen
Durchmessers oder auch eine sehr dünne, auf ein konstantes Potential gebrachte Metallschicht aufgebracht wird.
Es können zahlreiche, von den vorhergehenden Maßnahmen verschiedene Maßnahmen in Betracht gezogen werden, um
wenigstens eine der beiden Modulationen mit der Frequenz f und f. der auf der Meßbelegung durch den zu untersuchenden elektrischen
Vorgang induzierten Ladungen vorzunehmen.
Insbesondere kann die Modulation mit der Frequenz f 0 durch periodische Abblendung der Bahn zwischen den beiden
Belegungen 1 und 2 (oder zwischen der Belegung 2 und dem Träger 3) vorgenommen werden, indem abwechselnd mit der Frequenz f
die Induktion von elektrischen Ladungen auf der Belegung 1 von der Belegung 2 (oder dem Träger 3) aus möglich und unmöglich
gem.acht wird·
Eine derartige Abblendung kann z.B. durch zwei leitende Lamellen 35 (Fig. 6) in Form von Kreissektoren erfolgen,
?/elche elektrisch miteinander und mit einer Belegung verbunden und so angebracht sind, daß sie mit der Frequenz f Q in
einer zu der Ebene der Belegungen parallelen Ebene zwischen diesen mit einer hin- und hergehenden Schwingbewegung um eine
lotrechte Achse schwingen.
Die durch die Spannungsquelle 4 erzeugte Spannung V mit der Frequenz f kann dann ausgewertet werden, um einer- .
seits ein Organ 36 zur Steuerung dieser Schwingungen zu erregen^ und andererseits die Bezugs spannung des ersten synchronen Detektors
9 bilden, sie wird jedoch weder an die Klemmen des Kondensators 1, 2 angelegt, wie in Fig. 2, noch an die Klemmen einerpiezoelektrischen oder anderen Vorrichtung zur Erzeugung der
Schwingungen der Belegung 1, wie in Fig. 3· Dagegen bleibt alles, was die Frequenz f1 betrifft, unverändert.
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Wenn man wiederum die obigen Vereinbarungen
verwendet, kann man nachweisen, daß die Komponente des an den
Klemmen des Kondensators 1,2 abgenommenen Stroms mit der Frequenz f dann die Form hat:
2££ (X-U + v. sin 2 7Tf .t)
L 11
welche wiederum so angesehen werden kann, daß sie durch einen von X aber nicht von f,, abhängenden Ausdruck und durch einen
mit der Frequenz f. modulierten und von X unabhängigen Ausdruck
gebildet wird, was die gleichen Folgen wie oben hinsichtlich der gewünschten Berichtigungsmöglichkeiten hat.
Die obige Abblendung kann auch durch die Drehung einer Scheibe 37 erfolgen, welche wenigstens ein exzentrisches
Loch 38 enthält, z.B. vier derartige Löcher, wie in Fig.7
und 8 sichtbar, wobei diese Löcher so angeordnet sind, daß sie bei der Drehung der Scheibe zwischen den beiden Belegungen 1
und 2 hindurchlaufen, wobei die Scheibe aus einem leitenden Material besteht und elektrisch mit einer Belegung verbunden
ist.
Zur Bildung der als Bezugsspannung für den
ersten synchronen Detektor 9 dienenden Wechselspannung mit der Frequenz f kann man dann die Drehungen der Scheibe 37 benutzen.
Hierfür kann man periodisch mit Hilfe von von
dieser Scheibe angetriebenen Mitnehmern 39 (Fig. 7) einen elektrischen
Schalter 40 öffnen, dessen beweglicher Kontakt auf der Bahn der Mitnehmer liegt, während der Schalter in einen
Stromkreis 41 eingeschaltet ist, welcher eine Gleichstromquelle 42 und die mit Wechselstrom mit der Frequenz f zu speisende
Belastung 43 enthält. In dem beschriebenen Fall, in welchem die Zahl der Löcher vier beträgt, dreht sich natürlich die Scheibe
37 mit einer Drehzahl von f /4· in der Sekunde, wenn fQ in Hertz
ausgedrückt ist.
Man kann auch periodisch eine Photozelle 44
durch einen Lichtstrahl 45 erregen, welcher von einer Lichtquelle
46 nacheinander durch die Löcher 38 geschickt wird, wobei
die Zelle in einen Stromkreis 41 eingeschaltet ist, welcher dem vorhergehenden ähnlich ist und unterbrochen wird, wenn die Pho-
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tozelle nicht belichtet wird und umgekehrt.
Die obigen Berichtigungsprinzipien sind auch anwendbar, wenn der isolierende oder halbleitende Träger der
beiden parallelen Spuren für die Aufzeichnung der zu untersuchenden Ladungen bzw. für die Führung eine von einer Scheibe
verschiedene Form hat, z.B. die Form eines Bandes, welches vor den beiden Nadeln 26 und 27 vorbeiläuft, welche dann in Richtung
der Breite des Bandes in einer Flucht liegen, v/obei dann die beiden Spuren parallel zu der Länge des Bandes auf der
gleichen Seite desselben liegen, oder auch die Form einer Trommel, welche vor den beiden Nadeln vorbeiläuft, welche dann auf
einer Mantellinie der Trommel in einer Flucht liegen, wobei dann jede der beiden Spuren die Form einer auf die Trommel aufgewickelten
Schraube hat.
Da die Ableseelektrode (Nadel 26) einen sehr kleinen Durchmesser haben kann, ist in allen Fällen die räumliche
Auflösung von sehr großer Qualität. Insbesondere ist die Zahl der elektrische IhformatiorBn tragenden spiraligen Spuren oder
"Furchen", welche von ein und derselben Scheibe getragen werden können, sehr erheblich größer als die entsprechende Zahl
von magnetisch aufgezeichneten Spuren.
Die Erfindung schafft also auf dem Gebiet der Apparate
zur Ablesung von Informationen einen beträchtlichen Fortschritt,
indem sie insbesondere der sehr feinen Meßelektrode gestattet, augenblicklich und mit einer bemerkenswerten Genauigkeit
allen etwaigen Unregelmäßigkeiten des die aufgezeichnete Botschaft tragenden Trägers zu folgen, wobei die Änderungen des
Abstands zwischen dieser Elektrode und der abgetasteten Spur genau ausgeglichen v/erden.
Die betreffende Information kann beliebiger gewünschter Art sein.
Sie kann insbesondere in anderer als linearer Form aufgezeichnet sein, z.B. in Form einer Oberfläche, welche
Mitteln zur zeilenweisen Abtastung zugeordnet ist, wie ein Fernsehschirm,und
zwar mit einer ausgezeichneten räumlichen Auflösung,
wenn die Meßbelegung eine Spitze oder ein anderes leitendes Element besitzt, welches in Richtung auf die andere Belegung
in ein sehr feines Ende ausläuft. Die betreffende Information kann dann die Form von Bildern haben, welche im Zu-
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stand von elektrischen Ladungen auf vorzugsweise ebenen oder zylindrischen photoelektrischen Trägern aufgezeichnet sind,
oder auch auf einem elektrophotographischen Papier.
Für die Erfindung kommen zahlreiche andere Anwendungsgebiete als die oben genannten in Betracht, z.B. die Elektrometrie,
die Kontrolle bei der Herstellung von Kunstfasern oder von Kunststoff häutchen oder -bändern, die Elektrophotographie,
die optische oder akustische Holographie, die Wiedergabe in Form von Schall oder Ultraschall, die Rechnung (insbesondere
die Speicher) oder dgl. Die Erfindung ist natürlich nicht auf irgendeine Ausführungsform oder ihre Anwendungen beschränkt,
welche oben besonders beschrieben wurden.
So kann man z.B. zur Erzeugung und Auswertung der lotrechten Schwingungen der Nadeln 26 und 27 der Anordnung der
Fig. 4 ein dem unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläuterten Prinzip ähnliches Prinzip anstelle des unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläuterten
Prinzips verwenden.
Ebenso könnte man, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, die obige genaue Führung des Ablesekopfs 23 durch
Abtastung einer Spur 25 mit konstanter Ladungsdichte durch die Nadel 27 ausnutzen, um eine Aufzeichnung anstatt eine Ablesung
mittels der Nadel 26 vorzunehmen, wobei eine derartige Aufzeichnung insbesondere dadurch vorgenommen werden kann, daß die Mittel
28 durch andere ersetzt werden, welche in Funktion der aufzuzeichnenden Information entweder eine elektrische Spannung,
auf welche die Nadel gebracht wird, wobei dann die Aufzeichnung auf dem isolierenden '.Präger durch einen Koronaeffekt erfolgt,
oder eine Aufbringung von Ladungen auf den Träger über die Nadel durch einen benetzenden Kontakt zwischen der Nadel und dem
Träger oder auch eine Entladung von Elektronen oder Ionen, welche auf den Träger durch eine die Nadel ersetzende Kanone geschleudert
werden, modulieren können.
Die Nadeln oder Spitzen können auch durch andere leitende Elemente mit feinem Ende ersetzt werden, welche gegebenenfalls
mit Ausnahme ihres den zu untersuchenden Ladungen gegenüberliegenden Endes in ein Isoliermaterial eingebettet
sind.
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Claims (16)
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PATENTANSPRÜCHE
iy Vorrichtung zur Messung von elektrischen
Ladungsniengen oder auf derartige Ladungsmengen zurückführbaren
elektrischen Parametern, wie elektrische Spannungen oder elektrische Ströme, mit einem-Kondensator, Mitteln zur Ihduzierung
von elektrischen Ladungen durch den zu messenden Parameter auf einer der beiden Belegungen dieses Kondensators, nachstehend
Meßbelegung genannt, Mitteln zur Modulation der Mengen dieser induzierten Ladungen mit einer ersten Frequenz fQ, und Mitteln,
welche zum Zwecke der Messung dieses Parameters eine an die so modulierten Ladungsmengen gebundene elektrische Wechselgröße
der Frequenz f auswerten, gekennzeichnet durch Mittel, welche die an der Meßbelegung induzierten Ladungsmengen mit einer
zweiten Frequenz f. modulieren, welche kleiner als fo/2 ist,
wodurch die obige elektrische Größe mit der Frequenz f. moduliert
wird, und Mittel, welche den mit der Frequenz f. modulierten
Teil dieser Größe zum Zwecke der Messung und/oder Berichtigung auswerten, wobei dieser Teil eine Funktion des Abstands
zwischen einerseits der Meßbelegung und andererseits der anderen ■Belegung und/oder einem Zwischenelement, in welchem der zu messende
Parameter auftritt, ist.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Belegung (1; 26, 27) äes Kondensators
so ausgebildet ist, daß sie in Richtung auf die andere Belegung (2; 24) mechanische Schwingungen ausführen kann.
3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zur Modulation mit der Frequenz f, durch Anlegung einer elektrischen Spannung der Frequenz f^
an die Belegungen des Kondensators arbeiten.
4. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Modulation mit der
Frequenz f. durch abwechselnde Verschiebung einer der Belegungen
des Kondensators parallel zu der anderen mit dieser Frequenz f. arbeiten.
5· Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Modulation
mit der Frequenz ΐ einen elektromechanischen Wandler (20, 29,
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30) umfassen, welcher eine Belegung in Richtung auf die andere in mechanische Schwingungen versetzt.
6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Modulation
mit der Frequenz f Mittel umfassen, welche eine .Erregerwechselspannung
mit der Frequenz fQ an die Belegungen des Kondensators
anlegen, und daß die für die Meßzwecke ausgewertete elektrische
Wechselgröße (jg) mit der Frequenz f durch Detektion
der Komponente der Frequenz fQ der zwischen den Belegungen erzeugten
mechanischen Schwingungen gebildet wird (Fig· 2).
7. Meßvorrichtung nach Anspruch 4 und gegebenenfalls
Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Frequenz f. verschiebliche Belegung einem Ablesekopf (23)
angehört und zwei Elektroden (26, 27) besitzt, welche je durch eine auf die andere Belegung gerichtete Spitze auslaufen, wobei
die eine (26) dieser Elektroden einer ersten Spur (22) gegenüberliegt, welche die elektrischen Ladungen trägt, deren
Mengen gemessen werden sollen, welche sich längs dieser Spur ändern, während die andere, zur Führung des Kopfs bestimmte Elektrode
(27) einer zweiten Spur (25) gegenüberliegt, welche auf
ihrer ganzen länge elektrische Ladungen konstanter Dichte trägt,
wobei diese beiden Spuren parallel zueinander auf dem gleichen isolierenden oder halbleitenden, zwischen den beiden Belegungen
hindurchlaufenden Träger angeordnet sind.
8. Meßvorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine Scheibe (21) ist, und daß die
zweite Belegung durch eine die dem Kopf (23) abgewandte Seite der Scheibe überziehende Metallschicht (24) gebildet wird, wobei
die beiden Spuren die Form von Spiralen haben.
9. Meßvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (26, 27) miteinander
so verbunden sind, daß sie unabhängig voneinander frei schwingen können, daß aber ihre gegenseitigen mittleren Stellungen
die gleichen bleiben, und daß die Schwingungen mit der Frequenz f. nur an die zweite Elektrode angelegt werden.
10. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Auswertung
des mit der Frequenz f1 modulierten Teils einen selektiven Ver-
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- 18 - 0617 75 B stärker (8) oder ein auf die Frequenz f zentriertes Filter
(81) mit einer Bandbreite von 2f^ auf halber Höhe enthalten,
welche mit der doppelt modulierten elektrischen Größe (g) gespeist
werden.
11. Meßvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Auswertung des mit der Frequenz
f, modulierten Teils außerdem einen synchronen Detektor
(9) enthalten, dessen einer Eingang mit dem aus dem. selektiven
Verstärker oder Filter austretenden Signal gespeist wird, und dessen Bezugs spannung eine Spannung der Frequenz f ist, welche
mit der Komponente der Frequenz f des Signals in Phase ist.
12. Meßvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Auswertung des mit der Frequenz
f. modulierten Teils außerdem einen zweiten selektiven
Verstärker (15) oder ein zweites Filter (131) enthalten, welche
mit der Ausgangsspannung des synchronen Detektors (9) gespeist v/erden und die beiden Komponenten dieser Ausgangsspannung trennen
können, welche von der Frequenz f. unabhängig bzv/. mit dieser
Frequenz f^ moduliert sind.
13· Meßvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mittel zur Auswertung des mit der Frequenz f* modulierten Teils außerdem einen zweiten synchronen
Detektor (14) enthalten, dessen einer Eingang mit dem aus dem zweiten selektiven Verstärker oder Filter austretenden Signal
gespeist wird,und dessen Bezugssignal eine Spannung der Frequenz f. ist, welche mit der Komponente der Frequenz f^ des
Signals in Phase ist.
14. Meßvorrichtung nach Anspruch 5 und 13i
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Auswertung des mit der Frequenz f. modulierten Teils außerdem mit der Ausgangsspannung
des zweiten synchronen Detektors (14) gespeiste Mittel zur Verstärkung und Filterung und Steuermittel enthalten,
welche automatisch die gegenseitige Stellung der beiden Belegungen des Kondensators so verändern, daß sie die durch diese
Steuermittel gebildete Spannung konstant halten oder zu Null machen.
15. Meßvorrichtung nach Anspruch 6 und 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Auswertung des mit
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der Frequenz f. modulierten Teils außerdem mit der Ausgangsspannung
des zweiten synchronen Detektors (14) gespeiste Mittel zur Verstärkung und Filterung und Steuermittel enthalten,
welche die Erregerspannung so beeinflussen, daß die von diesen
Steuermitteln gebildete Spannung konstant gehalten oder zu Null gemacht wird·
16. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Modulation mit der Frequenz fQ mit Hilfe
von Mitteln erfolgt, welche periodisch mit dieser Frequenz die
Strecke zwischen den beiden Belegungen abblenden (Fig. 6 bis 8),
17· "Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbelegung wenigstens ein
sich in Richtung auf die andere Belegung erstreckendes leitendes Element umfasst, dessen Ende eine zwischen 0,5 Mikron und
2 mm liegende Querabmessung hat.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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