Elektrischer Kondensator mit veränderbarer Kapazität
Die Steuerung der Eigenschaften eines Kondensators ist für die Funktion einer Vielzahl elektrischer Einrichtungen erforderlich, und weil Kondensatoren zu den
Grundbauelementen in elektrischen Kreisen gehören, haben Einrichtungen, welche die Anwendbarkeit und die Anpassung von Kondensatoren verbessern, eine grosse Bedeutung. Mit dem neuen Kondensator ist es möglich, die Arbeitseigenschaften und insbesondere die Kapazität einfach und wirkungsvoll zu steuern.
Der erfindungsgemässe elektrische Kondensator mit veränderbarer Kapazität enthält ein Paar Kondensatorplatten und ein mindestens zwischen diesen Platten befindliches dielektrisches Fluid und ist dadurch gekenn zeichnet, dass die Kapazität des Kondensators durch eine durch die Änderung der Dichte des dielektrischen Fluid bewirkte Änderung der Dielektrizitätskonstante veränderbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des neuen Kondensators ist dieser in einem Behälter für ein Fluid angeordnet. Der Behälter ist mit dem als Dielektrikum verwendeten Fluid gefüllt, und es sind Mittel vorgese hen, um die Dichte des Dielektrikums zu verändern.
Solche Mittel können aus einer grossen Anzahl geeigne ter Vorrichtungen, mit denen der Druck oder die Temperatur des Dielektnkums verändert werden kann, ausgewählt werden. Der Kondensator kann elektrisch mit einem Stromkreis verbunden sein, der die Kapazität des Kondensators misst und durch die Kapazität so beeinflusst wird, dass er ein der Dichte des Dielektri korns entsprechendes Signal liefert.
Dieser elektrische Stromkreis kann eine Induktanz aufweisen, welche in Serie mit dem Kondensator angeordnet ist und einen dazu parallelgeschalteten Verstärker. Um die Veränderungen der Kapazität des Kondensators zu messen, kann weiter ein Messgerät, wie beispielsweise ein Frequenzmeter angeschlossen werden.
Jede Änderung der Dichte des dielektrischen Fluid, beispielsweise durch eine Druckänderung, bewirkt eine Änderung der Dielektrizitätskonstante des Fluid und damit der Kapazität des Kondensators, welche als Frequenzänderung des durch den Kondensatorkreis fliessenden Stroms abgelesen werden kann.
Es versteht sich, dass der neue Kondensator sehr viele praktische Anwendungen hat. Solche Anwendungen sind sowohl Stromkreise, in denen Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität benötigt werden, als auch Vorrichtungen, in denen eine elektrische Anzeige der Art oder des Zustands eines Fluid benötigt wird. Eine weitere mögliche Verwendung ist in Druck- oder Temperaturwandlern, in denen die Druck- oder Temperatur änderungen nach einer entsprechenden Eichung als Frequenzänderung ablesbar sind. Für diese Verwendung liegt ein wesentlicher Vorteil des neuen Kondensators in der ausserordentlich hohen Empfindlichkeit und Genader ausserordentlich hohen Empfindlichkeit und Ge Genauigkeit, was insbesondere für Druckmesswandler, Temperaturmesseinrichtungen und ähnliche Vorrichtungen gilt.
Die gegenwärtig bekannten Druckmesswandler weisen mechanische Bauteile auf, welche die Genauigkeit dieser Wandler beeinträchtigen. Demgegenüber weist der neue Kondensator den Vorteil auf, dass die Fehler, die durch die mechanischen Bauteile in solchen Druckmesseinrichtungen erzeugt werden, ausgeschlossen werden können. Bei dem neuen Kondensator kann der Druck auf ein Fluid, im vorliegenden Falle das dielektrische Fluid des Kondensators, direkt in eine elektrische Grösse umgewandelt werden, die leicht gemessen oder für andere Zwecke verwendet werden kann. Weiter hat der neuen Kondensator gegenüber den bekannten Druckmanometern den Vorteil eines viel grösseren Druckmessbereichs.
Der messbare Maximaldruck ist nämlich nur durch den Druck, dem das verwendete Material, beispielsweise das Material des Fluidbehälters, widerstehen kann, begrenzt und nicht durch irgendwelche inhärenten Arbeitsbedingungen des verwendeten Mecha nijsmus.
Die Erfindung soll nun mit Hilfe der Figuren an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung, an der die Grundlagen der vorliegenden Erfindung erläutert werden sollen,
Fig. 2 und 3 zeigen schematische Darstellungen weiterer Verwendungen des neuen Kondensators.
In Figur 1 ist ein Kondensator 11 gezeigt, der in einem dicht verschIossenen Behälter 13 angeordnet und mit einer ausserhalb des Behälters befindlichen Induktanz 15 in Serie geschaltet ist. Der Induktanz ist ein Verstärker 17 parallel geschaltet und es ist ein Frequenzmeter 19 vorgesehen, das die Frequenz des durch den Kondensator 11 fliessenden Stroms misst.
Der Behälter 13 ist mit einem dielektrischen Fluid 21 gefüllt, in das die Platten des Kondensators eingetaucht sind und dessen zwischen diesen Platten befindlicher Teil das Dielektrikum des Kondensators bildet.
Der Druck des dielektrischen Fluids 21 kann durch eine Speisepumpe 23, die durch eine Leitung 25 mit dem Behälter 13 verbunden ist, und deren Ausgangsdruck regulierbar ist, verändert werden. Weiter ist mit der Pumpe 23 und über eine Leitung 29 ein Vorratsbehälter 27 verbunden, der ein Reservoir für das dielektrische Fluid 21 bildet. Am Behälter 13 ist ein Druckmanometer 31 angeordnet, das den Druck des dielektrischen Fluid anzeigt. Obwohl als Mittel zum Verändern und Messen des Drucks im Behälter 13 die Pumpe 23, das Monomerer 31 und der Behälter 27 gezeigt sind, versteht sich doch, dass auch andere Einrichtungen verwendet werden können, um eine Druckänderung zu Ibewirken.
Es war nun gefunden worden, dass eine Veränderung des Drucks des Fluid im Tank 13 eine Änderung der Frequenz des über den Kondensator 11 fliessenden Stroms bewirkt. Natürlich werden Bbei einer Änderung des Drucks des Fluid zum Bewirken einer Frequenzänderung alle anderen Faktoren relativ konstant gehalten, um sicherzustellen, dass die Frequenzänderung praktisch ausschliesslich durch die Änderung des Drucks des Fluid im Behälter 13 bewirkt wird. Es war weiter gefunden worden, dass bestimmten Werten des Drucks des Fluid im Behälter 13 bestimmte Werte der Frequenz des durch den Kondensator 11 fliessenden Stroms entsprechen.
Das bedeutet praktisch, dass, unabhängig davon, ob der Druck für eine vorgegebene Anzeige am Manometer 31 gesteigert oder vermindert wird, eine entsprechende Anzeige am Frequenzmeter 19 erscheint.
Dadurch ist es möglich, für einen bestimmten Wert des Drucks im Behälter 13 die Frequenz des durch den Kondensator 11 fliessenden Stroms vorherzusagen, weil jedesmal, wenn der Druck im- Behälter 13 geändert wird, eine entsprechende Frequenzänderung des Stroms durch den Kondensator 11 bewirkt wird.
Mit Hilfe des Druckmanometers 31 kann die beschriebene Vorrichtung geeicht werden, um für einen bestimmten Druck ein vorherbestimmbares elektrisches AuseanessitPnal. z. B. eine Frequenz, anzuzeigen.
Die- in Figur 1 gezeigte Anordnung kann für viele Anwendungen verwendet werden. Eine bevorzugte Anwendung bilden Druckwandler.
Eine wichtige Eigenschaft des neuen Kondensators ist seine sehr hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit bezüglich des eingegebenen Drucks und des ablesbaren Signals. Diese Eigenschaften sind unabhängig davon, ob durch den Eingebemechanismus die Änderungen der Dichte des Dielektrikums durch Druck- oder Temperaturänderungen oder andere Mittel bewirkt werden.
Die hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit ist besonders wichtig, wenn der neue Kondensator als Druckwandler verwendet wird. Diese Verwendung wird als wichtigste angesehen, weil sie Druckmessungen mit hoher Genauigkeit und Empfindlichkeit ermöglicht, und solche in der Messeinrichtung liegenden Fehler ausschliesst, die durch mechanische oder Reibungsfehler der Bauteile bewirkt werden.
In Figur 2 ist schematisch gezeigt, wie die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung als Druckmesswandler verwendet werden kann. Bei der in Figur 2 gezeigten Ausfuhrungs- form ist die Leitung 25 mit einer Druckquelle, deren Druck gemessen werden soll, verbunden, was durch den Pfeil 37 angedeutet ist. Wenn das Fluid, dessen Druck das Eingangssignal des Wandlers bildet, als Dielektrikum für den Kondensator 11 verwendet werden kann, kann dieser Wandler entsprechend der Ausführungsform nach Figur 1 aufgebaut werden.
Wenn dagegen das Fluid, dessen Druck gemessen werden soll, nicht als Dielektrikum für einen Kondensator verwendbar ist, müssen andere Einrichtungen, wie beispielsweise ein Diaphragma, ein Balgen oder ähnliche, vorgesehen werden, welche die Fluids voneinander trennen und zugleich eine Druckübertragung zwischen diesen ermöglichen.
Ein bevorzugtes Mittel, um diese Trennung zu bewirken, ist in Figur 2 gezeigt. Das Fluid 39, dessen Druck zu messen ist, befindet sich ausserhalb einer dünnen flexiblen Membran 43, die den Kondensator 11 und dessen dielektrisches Fluid 41 einschliesst. Die Membran 43 ermöglicht, dass der Druck des Fluid 39 auf das dielektrische Fluid 41 übertragen wird, wodurch eine Änderung der Kapazität des Kondensators 11, wie es bereits im Zusammenhang mit der Figur 1 beschrieben wurde, bewirkt wird. Die Membran 43 hat den Vorteil, dass jede Fehlermöglichkeit, welche durch die Verwendung anderer Trenneinrichtungen, wie sie beispielsweise in bisher bekannten Vorrichtungen verwendet werden, bewirkt werden, skleinstmöglich ist.
Natürlich muss die Membran 43 den Kondensator 11 nicht vollkonimen einschliessen, sollte aber eine genügend grosse Fläche aufweisen, um die erforderliche Druck übertragung zu ermöglichen.
Wenn die in Figur 2 gezeigte Ausführungsform in der oben beschriebenen Art geeicht ist, kann mit dem elektrischen Stromkreis des Kondensators 11 ein Frequenzmeter 19 verbunden werden, das dann eine sehr genaue Anzeige des Eingangsdrucks in der Leitung 25 liefert.
Weiter kann der neue Kondensator für viele Anwen dingen, bei denen eine veränderbare Kapazität benötigt wird. und bei denen es wünschenswert ist, diese Kapazität selektiv zu steuern, verwendet werden. Diese Steue rung kann durch die Verwendung von Mitteln zur Veränderung der Dichte des dielektrischen Fluid, beispielsweise einer Pumpe. bewirkt werden, welche eine selektive Änderung des Drucks innerhalb des Behälters 13 entsprechend der angestrebten Kapazität des Konden sators 11 ermöglichen.
Natürlich ist die Kapazität und das Ausmass ihrer Veränderung von der bestimmten Anwendung abhängig, aber es versteht sich auch, dass der Stromkreis in dem der Induktor 15 und der Kondensator 11 liegen, ohne Schwierigkeiten mit zusätzlichen Apparaten verbunden werden kann, um die angestrebte Steuerung zu erreichen.
Weiter kann der neue Kondensator als Wandler verwendet werden, wenn es wünschenswert ist, von einer ersten Einrichtung, die durch thermische, elektrische, hydraulische oder pneumatische Leistung betätigt wird an eine zweite Einrichtung eine elektrische Leistung abzugeben. Natürlich schliesst eine solche Verwendung auch die Anwendung des Kondensators als Computerelement ein, in dem ein mechanisches Eingangssignal, beispielsweise in der Form eines durch veränderlichen Druck gebildeten Analogsignals, oder eines anderen Informationsmusters, in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt wird.
Es versteht sich, dass bei solchen Vorrichtungen die Pumpe 23 und der Behälter 27 durch andere geeignete Einrichtungen, welche ein Druckeingangssignal in der Leitung 25 bilden, ersetzt werden, und der Kondensator 11 in einen anderen als den in Figur 1 gezeigten Stromkreis geschaltet werden muss.
Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, weist der Kondensator 11 für einen bestimmten Druck des dielektrischen Fluid 21 eine bestimmte Kapazität auf, weshalb die beschriebene Anordnung für ein vorgegebenes elektrisches Ausgangssignal, beispielsweise eine Frequenz, entsprechend einem bestimmten Druckeingangssignal geeicht werden kann. Diese Eigenschaft ermöglicht ausser den beschriebenen Beispielen eine weite Anwendung in Mess- und Sicherheitseinrichtungen.
Wenn es beispielsweise wünschenswert ist, die Menge des Fluid im Vorratsbehälter 27 zu messen, so kann dies durch die direkte Verbindung der Behälter 13 und 27 durch die Leitung 25 und das Eichen des Frequenzmeters 19 zur Anzeige der Höhe des Fluid im Vorratsbehälter 27 erreicht werden. Wenn angenommen wird, dass die Höhe und damit auch Menge des Fluid im Vorratsbehälter 27 verändert wird, so wird auch der Druck des dielektrischen Fluid 21 verändert, was weiter eine Änderung der von dem Frequenzmeter 19 angezeigten Frequenz bewirkt.
Wenn in einer solchen Anlage das Fluid, dessen Höhe gemessen werden soll, nicht als Dielektriknm für einen Kondensator verwendbar ist, indem es keine geeigneten dielektrischen Eigenschaften aufweist. kann zwischen die Leitung 25, in ähnlicher Weise wie es bereits in Figur 2 gezeigt ist, ein Dia Dhragma. ein Balgen oder eine Membran 43 oder irgendeine ähnliche Einrichtung. welche die Fluid voneinander trennt, aber den Druck überträgt, vorgesehen werden.
Eine weitere Ausführungsform des Kondensators ist in Figur 3 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform wird die Temperaturempfindlichkeit des Fluid zur Änderung der Kapazität oenutzt. Diese Ausführungsform enthält einen Behälter 45, in dem ein Fluid 47 angeordnet ist. dessen Te.mrJeratur ermessen werden soll. Dazu ist in einem weiteren Behälter 53 ein in ein dielektrisches Fluid 51 Pincretellchter Kondensator 49 vorgesehen.
Der Behälter 53 besteht aus irendeinem geeioneten. die Wärme ühertraaenden Material. welches ermöicht, dass die Teml7Pratnr den Fluid 47 auf die Dichte des di plektr;qclaen Fluid 41 einwirkt. Der Kondensator 49 nnn durch Drähte 55. 57 in ähnlicher Weise. wie es in der Anordnung nach Figur 1 gezeigt ist, mit einem elektrischen Stromkreis verbunden sein. Auf diese Weise kann eine elektrische Grösse, beispielsweise eine Frequenz, am Frequenzmeter 19 abgelesen werden, welche der Temperatur des Fluid 47 entspricht.
Ein wesentlicher Vorteil auch dieser Ausführungsform ist die Emp findlichkeit und Genauigkeit, mit der diese Messung durchgeführt werden kann.
Es versteht sich, dass es viele Möglichkeiten gibt, die Dichte des dielektrischen Fluid zu verändern. Es versteht sich weiter, dass die obige Beschreibung nur einige bevorzugte Ausführungsformen der neuen Kondensatoreinrichtung angibt, und dass viele weitere Ausführungsformen möglich sind.