DE6908118U - DEVICE FOR DETERMINING POLAR LIQUIDS - Google Patents
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Description
Case A-61Case A-61
O.l.P. 525O.l.P. 525
IiATIONAI LEAD COMPANY New York, Ii.Y. / USAIiATIONAI LEAD COMPANY New York, Ii.Y. / USA
Vorrichtung zur Bestimmung polarer FlüssigkeitenDevice for determining polar liquids
Die Erfindung "betrifft ganz allgemein eine Vorrichtung zur Bestimmung polarer Flüssigkeiten. Insbesondere "betrifft die Erfindung ferroelektrische oder ferrielektrische Kristalle mit getrennten Elektroden, die verschiedene Zusätze enthalten und in Verbindung mit den Elektroden Xapazitätseigenschaften aufweisen.The invention "relates generally to a device for Determination of polar liquids. In particular "concerns the Invention of ferroelectric or ferrielectric crystals with separate electrodes that contain various additives and, in connection with the electrodes, capacitance properties exhibit.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung seil für alle Anwendungen geeignet sein, bei denen ein Nachweis des Auftretens "bestimmter polarer Flttssigkeitsdämpfe erwünscht ist. Beispielsweise kann die Vorrichtung zum liachweis "bzw. zur Bestimmung der j?euchtiglceit der umgebenden Iruft verwendet werden, wobei eine Verbindung mit einem geeigneten elektrischen Schaltkreis bestehen kann, um den Peuehtigkeitsanteil zu bestimmen oder ixra eine Einrichtung zur tToensaehuiig der Feuchtigkeit zu betreiben. Auch auf vielsn anderen Gebieten ist die Erfindung anwendbar, beispielsweise zum Nachweis der polaren Plüssigkeitsdämpfe von Sohöl beia ölprospektieren. Zusätzlieh erschließen sich dem Fachmann -vieleThe device according to the invention can be suitable for all applications in which detection of the occurrence of "certain polar liquid vapors is desired. For example, the device for detection" or can be used to determine the moisture content of the surrounding air, which can be connected to a suitable electrical circuit to determine the moisture content or to operate a device for moisture content. The invention can also be used in many other areas, for example for the detection of polar liquid vapors from sole when prospecting for oil. In addition, many are accessible to the expert
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andere Anwendungsgebiete der Erfindung. Beispielsweise läßt sich die Erfindung auf medizinischem und "biologischem Gebiet ebenso anwenden wie in der Fertigungs- und Verfahrenstechnik bzw. der Prozeßsteuerung etwa bei chemischen Verfahren oder ähnlichem.other areas of application of the invention. For example, the invention can be used in the medical and biological fields as well as in manufacturing and process engineering or process control, for example in chemical processes or similar.
Bekannte Vorrichtungen zur IvIessung der Feuchtigkeit benötigen zahlreiche verschiedene Anordnungen. Kennzeichnend für solche Vorrichtungen ist die Verwendung von Haaren, Saiten bzw. Fäden und ähnlichem, um eine geeignete Verbindung herzustellen. Es wurden auch elektrische Schaltkreise eingesetzt, bei denen ein Widerstand des Kreises mit einem organischen, auf die Feuchtigkeit der Umgebungsluft ansprechenden Überzug versehen sein kann.Known devices for measuring moisture need numerous different arrangements. Typical of such devices is the use of hair, Strings or threads and the like to make a suitable connection. There were also electrical circuits used in which a resistance of the circuit with an organic, on the humidity of the ambient air can be provided with an attractive coating.
Diese bekannten Gebilde zur Messung bzw. Bestimmung der Feuchtigkeit haben sich als unbefriedigend erwiesen, da die einzelnen Elemente, insbesondere Haare, Saiten und dergleichen, brechen konnten oder anderen physikalischen Beschädigungen ausgesetzt sein konnten. Diese Gebilde waren auch deshalb unbefriedigend, weil die damit erzielten Ergebnisse nicht genügend zuverlässig waren.These known structures for measuring or determining the moisture have proven to be unsatisfactory because the individual elements, especially hair, strings and the like, could break or other physical Could be exposed to damage. These structures were also unsatisfactory because the results obtained were not sufficiently reliable.
Bei dem Ziel, robuste und zuverlässige Elemente zur Bestimmung polarer Flüssigkeiten zu entwickeln, entstand .gemäß der Erfindung eine Vorrichtung zum Nachweis tzvt„ '■ zur Bestimmung solcher polarer Dampfe, die gekennzeichnet-With the aim to develop a robust and reliable elements for the determination of polar liquids, .gemäß the invention has been an apparatus for detecting "'■ tzvt for the determination of such polar vapors which gekennzeichnet-
ist durch einen ferroelektriselien oder ferrielektrisehenis through a ferroelectric or ferroelectric see
j Kristall, der zur Verbesserung bz;?. Vergrößerung seinerj crystal that is used to improve bz;?. Enlargement of his
f unter cleia Einfluß polarer Flüssigkeitsdäspfe auftretenden f occurring under the influence of polar fluid vapors
elektrischen Eigenschaften aiit wenigstens einem Zusatz versehen ist und zumindest z^sei getrennte Elektroden aufweist, die ΐώΐ de-2 Kristall in Kontakt steilen. Die erfindusgsges-ä-Ee Vorrichtung ist zuverlässig, da der Kristall nach je-dex Yerwendurig stets in seinen Ausgangssustand zurüeik3ceiirt.oelectrical properties provided with at least one additive is and at least z ^ has separate electrodes, steep the ΐώΐ de-2 crystal in contact. The erfindusgsges-ä-Ee Device is reliable because the crystal is after je-dex Yerwendurig always returned to its original state. O
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Wie nachfolgend in näheren Einzelheiten beschrieben wird, ist die Vorrichtung wesren ihres Aufbaues besonders empfindlich.As described in more detail below, is the structure of the device is particularly sensitive.
'ov 'o v
Der hier verwendete Ausdruck "ferroelektrischer Kristall" soll einen Kristall mit ferroelektrisehen Eigenschaften kennzeichnen. Beispielsv.'eise weist der Kristall einen Curie-Punkt auf, und seine Polarisation ist durch eine Spannung umkehrbar, deren 3etrag kleiner ist als die Durchbruchsspannung des Kristalls. Ein typiscnes Beispiel eines solchen Kristalls ist Bariumtitanat. Der hier verwendete Ausdruck "ferroelektrischer Kristall" soll auch ferrielektrische Kristalle umfassen, wie etwa Wisnmttitanat, die ähnliche charakteristische Eigenschaften aufweisen v/ie ferroelektri— sehe Kristalle und zusätzlich ein durch einen bestimmten Schwellv/ert umschaltbares Feld einschließen, wenn die Wirtungsrichtung der angelegten Spannung umgekehrt wird.The term "ferroelectric crystal" as used herein is said to be a crystal with ferroelectric properties mark. For example, the crystal has a Curie point and its polarization can be reversed by a voltage whose amount is less than the breakdown voltage of the crystal. A typical example of such a crystal is barium titanate. The term used here "Ferroelectric crystal" is also intended to be ferrielectric Crystals include, such as wisnmttitanate, the like have characteristic properties v / ie ferroelectri- see crystals and also include a field that can be switched by a certain threshold value if the host direction the applied voltage is reversed.
Die Erfindung beruht auf äex Theorie, daß das Kristallmaterial zahlreiche Bereiche und Kristallbereichswände aufy/eist. Um die Kristallbereichswände besteht die Kristalloberfläche aus zwei gegensätzlich polarisierten Bereichen, die voneinander durch die Kristallbereichswand getrennt sind. Normalerweise zieht die Kristalloberfläche genügend Ladungen aus der Umgebung an, so daß die Oberflächenladung als im wesentlichen neutralisiert erscheint. Wenn dagegen Dämpfe polarer Flüssigkeit, wie etwa Feuchtigkeit und ähnliches, auf die Kristalloberfläche gelangen und den mit dem Kristall in Verbindung siehenden Elektroden zusätzlich ein Wechselfeld eingeprägt wird, so ergibt sich 3urch die Wechselwirkung der Feldbereiche und des Dipolfeldes des polaren Dampfes, daß die Kapazität des Kristalls (der in Verbindung mit den zugeordneten Elektroden Kapazitätseigenschaften aufweist) sich ändert, je nachdem, wieviel polarer Dampf sich auf der Kristalloberfläche niederschlägt*The invention is based on äex theory that the crystal material numerous areas and crystal domain walls will move to Y / eist. Around the crystal area walls, the crystal surface consists of two oppositely polarized areas that are separated from one another by the crystal area wall. Normally, the crystal surface will attract enough charges from the environment that the surface charge appears to be essentially neutralized. If, on the other hand, vapors of polar liquid, such as moisture and the like, reach the crystal surface and the electrodes connected to the crystal are additionally impressed with an alternating field, the interaction of the field areas and the dipole field of the polar vapor results in the capacitance of the Crystal (which has capacitance properties in connection with the assigned electrodes) changes depending on how much polar vapor is deposited on the crystal surface *
ΑΛΛΛ4 "4 OΑΛΛΛ4 "4 O
^y υ ö 11 o^ y υ ö 11 o
Zusätzlich ändert sich der "Widerstand zwischen den beiden Elektroden in Abhängigkeit von der niedergeschlagen en Menge polieren Plüssigkeitsdampfes. Obgleich die exakten physikalischen Yorgänge dieses Phänomens nicht klar sind5 konnte ermittelt v/erden, daß als Hauptfaktor zur Gewinnung eines hochempfindlichen Naehweismittels die Wechselwirkung eines den Elektroden aus einer Spannungsquelle aufgedrückten elektrischen Feldes, die erwähnten Kristall— bereichej das PeId polarer Moleküle und weiterhin das Vorhandensein einiger bestimmter Zusätze im Kristall eine Rolle spielen.In addition, the "resistance between the two electrodes changes depending on the deposited en quantity polish Plüssigkeitsdampfes. Although the exact physical Yorgänge this phenomenon are not clear 5 could v grounded determined / that as the main factor for obtaining a high-sensitivity Naehweismittels the interaction of the electrodes from an electric field imposed by a voltage source, the crystal regions mentioned above, the level of polar molecules, and the presence of certain specific additives in the crystal also play a role.
Obwohl eine ganze Anzahl ferroelektrischer kristalliner Materialien ermittelt wurde, die iuf die Anwesenheit polarer Moleküle, wie etwa Feuchtigkeit in Form von Wasserdampf oder ähnlichem, dadurch ansprechen, daß sich die Kapazität und/oder der Widerstand des Nachweismediuins ändert, das mit auf dem zugeordneten Kristall angeordneten Elektro-Although quite a number of ferroelectric crystalline Materials have been identified that are sensitive to the presence of polar molecules, such as moisture in the form of water vapor or the like, respond by changing the capacitance and / or resistance of the detection medium, with the electrical device arranged on the associated crystal
,sich den versehen ist, ergab sich doch, daß/mit Wismuttitanat ein besonders starker Effekt erzielen läßt, mutmaßlich deshalb, v/eil dieses Material ein ausgeprägtes Schwellwertschaltfeld (elektrisches Remanenzfeld, das nur durch eine bestimmte Schwellenspannung umgeschaltet werden kann) und eine stabile Bereichskonfiguration besitzt., which is provided, it turned out that / with bismuth titanate A particularly strong effect can be achieved, presumably because of this, because this material has a pronounced effect Threshold value switching field (electrical remanence field, the only can be switched by a certain threshold voltage can) and has a stable range configuration.
Wismuttitanat v/eist eine sehr hohe Curie-Temperatur, etwa näherungsweise 675°C, auf. Aus diesem Grunde sind Kapazitäts- und Widerstandsveränderungen der Nachweis- oder Bestimmungs— bzw. Meßvorrichtungen in Abhängigkeit von der Temperatur praktisch vernachlässigbar. Dementsprechend läßt sich eine solche Vorrichtung nicht nur als Relativwerte messendes Instrument einsetzen, vielmehr läßt/iieses zur Messung von Absolutwerten eichen. Wie weiter unten näher erläutert, lassen sich die Kapazitäts- und Widerstandsänderungen der Bestimmungsvorrichtung mit Hilfe eines geeigneten elektrischen Schaltkreises messen<>Bismuth titanate has a very high Curie temperature, approximately approximately 675 ° C. For this reason, capacity and changes in resistance of the detection or determination or measuring devices depending on the temperature practically negligible. Accordingly, lets Such a device can not only be used as an instrument that measures relative values, but rather allows it to be used Calibrate measurement of absolute values. As explained in more detail below, the changes in capacitance and resistance can be determined the determination device with the help of a suitable electrical circuit measure <>
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Das Vorhandensein eines Sehwellwertschaltfeldes in Wismuttitanat ermöglicht, daß eine relativ hohe Steuerspannung angelegt bzw. aufrechterhai ten werden kann, ohne daS ein Umschalten der Bereiche erfolgt. Dies ist einer der Gründe, warum die mit Wisinuttltanatkrlstallen erzielbaren Ergebnisse außergewöhnlich sind- .ändere Kristalle, die ein Schweilwertschaltfeld besitzen und ebenfalls gute Ergebnisse liefern, sind Natrium-kalium-niobat, Uatriuinniobat— vanadat, Lithiunmiobat und Barium-natrluzi-niobat.The presence of a visual threshold switch panel in bismuth titanate enables a relatively high control voltage to be applied or maintained without a The areas are switched over. This is one of the reasons why the results that can be achieved with Wisinuttltanatkrlstallen Extraordinary are other crystals that have a welding value switch panel and also good results supply are sodium potassium niobate, uatriuinniobate— vanadate, lithium miobate and barium natrluzi-niobate.
Die Anwesenheit bestimmter Zusätze in dem Kristall und die Wechselwirkung der ferroelektrlschen oder ferrielektrischen Bereiche mit dem an die Elektroden der Vorrichtung angelegten PeId sind beim Vorhandensein von polaren Molekülen die Hauptfaktoren beim Erzielen eines starken Ansprechvermögens, The presence of certain additives in the crystal and the interaction of the ferroelectric or ferrielectric Areas with the PeId applied to the electrodes of the device are in the presence of polar molecules the main factors in achieving strong responsiveness,
Gewachsene bzw. gezogene Kristalle mit bestimmten Zusätzen, wie sie nachfolgend näher erläutert werden, zeigen außerordentlich starke Änderungen ihrer dielektrischen (kapazitiven) und Leitfähigkeits- (Widerstands-)-Eigenschaften, wenn sie der Einwirkung polarer Flüssigkeitsdämpfe unterliegen. Grown or pulled crystals with certain additives, as explained in more detail below, show extraordinary strong changes in their dielectric (capacitive) and conductivity (resistance) properties, if they are exposed to polar liquid vapors.
Solche Zusätze im Kristall wirken offensichtlich wie Katalysatoren in chemischen Prozessen, da klar ermittelt werden konnte, daß das Vorhandensein bestimmter Zusätze den Kristall ansprecherregend auf bestimmte, in polaren Plüssigkeitsdämpfen vorhandene Chemikalien macht.Such additives in the crystal obviously act like catalysts in chemical processes, as it could be clearly determined that the presence of certain additives denotes the Crystal responsive to certain, in polar liquid vapors makes existing chemicals.
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Es wurde auch er£iittelt3 daS die Uaekweisvorriehtung itrre maximale Empfindlichkeit oder Anspreehbarkeit aufweist, wenn die den Elektroden der UaehweisvorriehtuKg zugaführ— te Steuerweehselspannung kleiner, jedoch nahezu so groß ist wie die iLoerzitivspannung der Vorrichtung und au? eines Wert gehalten wird, der die Bereiehskonfiguration des Kristalls noch nicht umschaltet»It was also determined 3 that the detection device has its maximum sensitivity or responsiveness if the control alternating voltage applied to the electrodes of the detection device is smaller, but almost as large as the negative voltage of the device and is not too high. a value is held that does not yet switch the range configuration of the crystal »
Es wurde auch ermittelt, daß eine bestimmte Frequenz eine optimale Empfindlichkeit für eine bestimmte Uaehweisvorrich— tung ergibt, je nach den uarin enthaltenen Zusätzen oder der Art des zu bestimmenden bzw. nachzuweisenden Dampfes a Typische Betriebsfrequenzen liegen im Bereich von 20 bis 500 kHz, gute Ergebnisse wurden jedoch auch mit etwas höheren Frequenzen erzielt.It has also been determined that a specific frequency results in an optimum sensitivity for a certain Uaehweisvorrich- Maintenance, depending on the additives contained uarin or the type of are to be determined or detected a vapor Typical operating frequencies in the range of 20 to 500 kHz, good results however, were also achieved with slightly higher frequencies.
Die Nachweis- bzw. Meßvorrichtung muß auch so konstruiert sein, daß die freie Kristallfläche des Teils des Kristalls, an dem die Elektroden befestigt sind, groß ist im Vergleich mit der Elektrodenfläche. Bedecken die Elektroden im wesentlichen die gesamte Kristallfläche, so ist die mit der Eachweisvorrichtung erzielbare Ausgangs- bzw. Antavortgrö— ße praktisch gleich Null. Es wurde ermittelt, daß die freie Kristallfläche zumindest dem weiter unten näher definierten Verhältnis C /C oder G /G entsprechen muß;, und im allgemeinen sollte die freie Kristallfläche zumindest zehnmal größer sein als die Elektrodenfläche. Versuchsvorrichtungen, die nicht das richtige Verhältnis zwischen freier Kristallfläche und Elektrodenfläche aufv/iesen, zeigten während der Messungen keine befriedigende Empfindlichkeit. Ua die Fläche der Elektroden höchst wirksam zu machen, v/urde zusätzlich ermittelt, daß deren Umriß- oder Außenabmessungen groß sein sollten.»The detection or measuring device must also be constructed so that the free crystal area of the part of the crystal to which the electrodes are attached is large in comparison with the electrode area. If the electrodes essentially cover the entire crystal surface, then the initial or antavirus magnitude that can be achieved with the each device is practically zero. It was found that the free crystal surface must at least correspond to the ratio C / C or G / G defined in more detail below ; , and in general the free crystal area should be at least ten times larger than the electrode area. Experimental devices which did not have the correct ratio between free crystal area and electrode area did not show satisfactory sensitivity during the measurements. Among other things, to make the surface of the electrodes highly effective, it was additionally determined that their outline or external dimensions should be large. "
Die Ziele der Erfindung liegen in der Schaffung einer neuen Vorrichtung zum Nachweis "bzw. zur Bestimmung polarer Flüssigkeitsdämpfe, die zur Messung oder Steuerung von Feuchtigkeit eingesetzt werden kann, oder zum Nachweis bestimmter polarer Flüssigkeitsdämpfe, wie etwa Wasserstoff sulf it und ähnlichen, dienen kann, die in Rohölen auftreten, wobei die Vorrichtung beim Aufspüren bzw. dein Nachweis einer vorhandenen Bohölquelle eingesetzt werden kann. Dadurch wird es möglich, die Testlöcher weniger tief zu bohren, als dies bisher zum Nachweis eventuell vorhandenen Öls in einem bestimmten Bohrbereich notwendig war. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in ihrem Aufbau sehr einfach und billig, gleichzeitig aber auch sehr kompakt-und vielseitig in ihrer Anwendung. Außerdem ist die Nachweisvorrichtung auf vielen verschiedenen Gebieten, wie etv/a bei der Steuerung chemischer Prozesse, anwendbar.The objects of the invention are to provide a new device for the detection or determination of polar Liquid vapors used for measurement or control moisture, or for the detection of certain polar liquid vapors, such as hydrogen sulf it and the like, which occur in crude oils, with the device when tracing or de Evidence of an existing drilling oil source can be used. This will make it possible to use fewer test holes to drill deeper than was previously necessary to detect any oil present in a certain drilling area was. The structure of the device according to the invention is very simple and cheap, but at the same time it is also very compact and versatile in use. Besides that is the detection device in many different areas, such as etv / a in the control of chemical processes, applicable.
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert* Further goals and advantages of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings, for example *
g gii cxiic Tuiucicuiaiuuii cxiicr ex ig gii cxiic Tuiucicuiaiuuii cxiicr ex i
Nachweis— bzw. Bestimmungsvorrichtung, wobei die im Kristall vorhandenen Bereichswände, die gegensätzlich polarisierte Flächen auf jeder Seite aufweisen, sehematisch dargestellt sind;Detection or determination device, the Area walls in the crystal that have oppositely polarized surfaces on each side, are shown schematically;
Fig. 2 zeigt die Draufsicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung;Fig. 2 shows the plan view of a modified embodiment the invention;
Fig. 5 zeigt die Draufsicht auf eine weitere erfindungs— gemäße Ausführungsfora;Fig. 5 shows the plan view of a further invention. appropriate execution form;
Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch noch eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform;4 shows a longitudinal section through yet another embodiment according to the invention;
Die folgenden Figuren zeigen zweekentspreenende Anwendungs-"beispiele der erfindnngsgemaßen Yorriclrtung.The following figures show two corresponding application examples of the method according to the invention.
I 4 * I I I ·I 4 * I I I ·
Fig. 5 zeigt ein scheniatisches Schaltbild einer elektrischen Schaltung, die eine Nachweis- bzw, BeStimmungsvorrichtung gemäß der Erfindung enthält;Fig. 5 shows a schematic circuit diagram of an electrical Circuit that has a detection or determination device according to the invention contains;
Fig. 6 zeigt unter Verwendung der Erfindung ein teilweise ; schematisiertes Schaltbild einer v/eiteren Schaltung; undFigure 6 shows a partial utilizing the invention ; schematic circuit diagram of a further circuit; and
Fig. 7 zeigt ein scheinatisches Schaltbild einer noch anderen elektrischen Schaltung, die die erfindungsgemäße Bestiramungsvorrichtung umfaßt»Fig. 7 shows a schematic circuit diagram of still another electrical circuit that the inventive device includes »
In Fig. 1 wird eine erste Ausführungsforra der Erfindung veranschaulicht, wobei ein ferroelektrischer Kristall ganz allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist.' Dieser Kristall umfaßt ein Ein-Kristall-Plättchen, das aus einem der bekannten oder oben erwähnten ferroelektrischen und/oder ferrielektrischen Kristalle bestehen kann. Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht der Kristall aus Wismuttitanat und weist — wie erwähnt — eine relativ hohe Curie-Temperatur auf. Die Anschlüsse werden durch ein Paar elektrisch leitfähiger Elektroden 12 und 14 gebildet, die mit den einander gegenüberliegenden Flächen des Kristalls in Kontalct stehen und in geeigneter Weise befestigt sind. Die Elektroden können einen in bekannter Weise erzeugten leitfähigen Oxydniederschlag aufweisen. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel kann die Dicke des Kristalls 10 etwa 0,05 mm (2 mils) betragen bei einer Länge von etwa. 6,4 mm (2/8 inch) und einer Breite von etwa 332 nsn (1/8 inch), während der Durehmesser der Elektroden etwa 1,6 mm (1/16 inch) messen kann und als iia wesentlichen kreisförmige Scheibchen aufgebracht sind. In F15. 1 sind die Länge und Dicke des Kristalls übertrieben dargestellt- Kit den Elektroden 12 und 14 sind geeignete elektrische Leiter Όζώ. Zuführungen 16A first embodiment of the invention is illustrated in FIG. 1, a ferroelectric crystal being designated quite generally by the reference numeral 10. This crystal comprises a single-crystal platelet which can consist of one of the known or above-mentioned ferroelectric and / or ferrielectric crystals. In the preferred embodiment, the crystal consists of bismuth titanate and, as mentioned, has a relatively high Curie temperature. The connections are formed by a pair of electrically conductive electrodes 12 and 14 which are in contact with the opposing faces of the crystal and are suitably attached. The electrodes can have a conductive oxide deposit produced in a known manner. In a typical embodiment, the thickness of the crystal 10 may be about 0.05 mm (2 mils) with a length of about. 6.4 mm (2/8 inch) and about 3 3 2 nsn (1/8 inch) wide, while the diameter of the electrodes can measure about 1.6 mm (1/16 inch) and as generally circular disks are upset. In F15. 1 the length and thickness of the crystal are exaggerated - the electrodes 12 and 14 are suitable electrical conductors Όζώ. Feeders 16
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— Q —- Q -
und 18 verbunden, um die Vorrichtung mit einem zugeordneten elektrischen Schaltkreis zu verbinden»and 18 connected to the device with an associated to connect electrical circuit »
Der dargestellte Kristall weist eine Anzahl schematisch dargestellter Bereichswände auf, die durch das Bezugszeichen 20 markiert sind. Die Kristalloberfläche weist, wie durch positive und negative Kennzeichnung an einander benachbarten Flächen veranschaulicht, eine Anzahl entgegengesetzt polarisierter Flächen auf, wobei die aneinandergrenzenden entgegengesetzt polarisierten Flächen voneinander durch die Bereichswände getrennt sind. Schlagen sich, wie oben beschrieben, Dämpfe polarer Flüssigkeiten auf der Kristalloberfläche nieder, so ändert sich die Kapazität des durch die Teile 10, 12 und 14 gebildeten Kondensators in Abhängigkeit von der auf der Kristalloberfläche niedergeschlagenen Dampfmenge polarer Flüssigkeit«The illustrated crystal has a number of schematically illustrated area walls, denoted by the reference symbol 20 are marked. The crystal surface shows how illustrated by positive and negative markings on adjacent surfaces, a number opposite polarized surfaces, the adjoining oppositely polarized surfaces are separated from each other by the area walls. Beat up As described above, if vapors of polar liquids settle on the crystal surface, the capacity changes of the capacitor formed by parts 10, 12 and 14 as a function of the amount deposited on the crystal surface Amount of vapor of polar liquid "
/Bestimmungs- bzw. Nachweisvorrichtung scheint in ihrer Funktionsweise einem Massenspektrographen zu entsprechen, der ganz allgemein auf polare Flüssigkeitdämpfe anspricht. Es soll jedoch vermerkt werden, daß die erfindungsgemäße Bestimmungsvorrichtung wesentlich einfacher aufgebaut ist als andere Vorrichtungen, die einem ähnlichen Zv/eck dienen, Bs ist ersichtlich, daß die Kapazitäts- und Widerstandsänderung des Kristalls mehr als Oberflächeneffekt zu betrachten ist, der sich im wesentlichen eher auf der freien Kri— stallfläehe, die nicht durch eine Elektrode bedeckt ist, abspielt als in der Masse des Kristalls, züsiai die zeit— -verzögerte Ansprach empfindlichkeit der BestlaEiungsvorrich— "fcung insbesondere für polare Flüssigkeitsdäinpfe relativ rasch auftritt, ä.ii. nach eirsva 5 Minuten. Unter anderem zeigt Wisiauttitanai; eine sehr große Ansprechempfindlich— keit aiii polare Plussigkeitsdämpfe und insbesondere für (luft-) jreueircigseit, wenn Hafnium—, Chrom-, Uiob- mad i?an1;alzTisätze in kleinen Mengen, d.h. im Bezreien von e"twa/ The mode of operation of the determination or detection device appears to correspond to a mass spectrograph which generally responds to polar liquid vapors. It should be noted, however, that the determination device according to the invention has a much simpler structure than other devices that serve a similar Zv / corner. It can be seen that the change in capacitance and resistance of the crystal is to be regarded more as a surface effect, which is essentially more on the free crystal surface, which is not covered by an electrode, takes place than in the bulk of the crystal, the time-delayed response sensitivity of the measuring device, especially for polar liquid vapors, occurs relatively quickly, e.ii. according to Eirsva 5 minutes.Among other things, Wisiauttitanai shows a very high sensitivity to polar plush vapors and especially for (air) unrepentant when hafnium, chromium, uiobium salts are used in small amounts, ie in the range of e "twa
- 10 -- 10 -
0,05 bis 3 Mol-$ enthalten sind, so werden optimale Ergebnisse erzielt. Die Menge an Zusätzen sollte in dem extrem großen Bereich von etwa 0,001 bis 10 MoI-^ liegen«0.05 to 3 moles are included so will give optimal results achieved. The amount of additives should be in the extremely large range of about 0.001 to 10 mol- ^ "
Über die Leiter 16 und 18 wird den Elektroden 12 und 14 eine Wechselspannung aufgedrückt, wobei sich bei einer Frequenz von etwa 185 kHz optimale Betriebsbedingungen ergaben, wenn die Zusät-ze Tantal enthielten, während bei einer Frequenz von etwa 30 kHz optimale Bedingungen dann erzielt wurden, wenn die Zusätze Hafnium, Chrom oder Niob aufwiesen.An alternating voltage is applied to the electrodes 12 and 14 via the conductors 16 and 18, with a Frequency of about 185 kHz resulted in optimal operating conditions when the additives contained tantalum, while with a frequency of about 30 kHz, optimal conditions were achieved when the additives hafnium, chromium or niobium exhibited.
Es wurde ermittelt, daß sich dann beste Ergebnisse erzielen lassen, wenn die Aktivierungstemperatur der Elektroden 12 und 14 bei etwa 4000C liegt. Wenn jedoch Elektroden mit wesentlich höheren Aktivierungstemperaturen. verwendet werden, so ist eine besondere Wärme- und F'eldbehandlung notwendig, um die gewünschte Empfindlichkeit wiederzugewinnen. Diese Wärmebehandlung bedingt, daß die gesamte Kristallanordnung für eine Zeitspanne von etwa 5 bis 10 Minuten auf eine Temperatur von rund 400 bis 5CC0C gebracht wird, die als charakteristische ferrielektrische Übergangs—It has been found that best results are obtained then when the activation temperature of the electrodes is about 400 0 C and 12 fourteenth However, if electrodes with significantly higher activation temperatures. are used, a special heat and field treatment is necessary to regain the desired sensitivity. This heat treatment requires that the entire crystal arrangement is brought to a temperature of around 400 to 5CC 0 C for a period of about 5 to 10 minutes, which is a characteristic ferrielectric transition.
bei Wismuttitasat bismuttitas
ismuttitasät ermittelt wurde.ismuttitasät was determined.
Das Verhältnis der freien Kristallfläche zur Elektrodenflä— ehe sollte im vorgenannten Bereich liegen,,wobei in diesem Fall die freie Kristallfläche dar gesamten Pläehe der mitThe ratio of free crystal surface to the electrode surfaces before should be in the above range ,, in which case the free crystal surface is the entire Pläehe with
Elektroden versehenen Stirnflächen des Kris-talls entspricht, ; die nicht von den Elektroden bedeckt wird. Die den Slektro—Corresponds to the end faces of the crystal provided with electrodes, ; which is not covered by the electrodes. The slektro—
den aiiigedrüclrte Spannung sollte in den oben beschriebenen Bereichen liegen. Sie sollte insbesondere kleiner, jedoch nahe so groß me die Koerzitivspanming des Kristalls seino The external stress should be in the ranges described above. In particular, it should be smaller, but close to the same size as the coercive clamping of the crystal, etc.
Um die gewünschten Ergebnisse zu ermöglichen, sind — wie erwähnt — bestimmte Zusätze in dem Kristall eingeschlossen, tabelle I veranschaulicht die Ergebnisse, die mit verschiedenen in »Yisauttitanatlcristallen enthaltenen Zusätzen erzielt wurden.In order to achieve the desired results , certain additives are - as mentioned - included in the crystal, Table I illustrates the results obtained with the various additives contained in Yisauttitanatlcristallen.
5G / G
5
SG / G
S.
SC.
S.
SC / C
S.
Die erste, mit "Gruppe" bezeichnete Spalte der Tabelle gibt die verschiedenen Elemente an, die als Zusätze in dem i?is— muttiatanatkristall enthalten sind una die mit ihren üblichen chemischen Symbolen gekennzeichnet sind«The first column of the table, labeled "Group", specifies the various elements that are used as additions in the i? Is— muttiatanat crystal are included with their usual chemical symbols are marked «
Die nächste Spalte veranschaulicht die erzielten Verhältnisse, wenn der polare Plüssigkeitsdampf Wasser enthielt. Die nächste Spalte gibt die Ergebnisse wieder, wenn derThe next column illustrates the ratios achieved when the polar liquid vapor contained water. The next column shows the results when the
% polare Flüssigkeitsdampf aus Leinöl bestand, während die % polar liquid vapor consisted of linseed oil, while the
nachfolgenden Spalten die erzielten Verhältnisse angeben, wenn die polaren Plüssigkeitsdämpfe aus Oleinsäure, Dimethylformamid und Essigsäure bestanden.the following columns indicate the ratios achieved, when the polar liquid vapors from oleic acid, dimethylformamide and acetic acid passed.
Es wird nun erläutert, was die in den senkrechten Spalten angegebenen -Verhältnisse im einzelnen bedeuten. Zum ersten, als C /C bezeichneten Verhältnis: C gibt die Kanazität desIt will now be explained what the specific meanings of the ratios indicated in the vertical columns. For the first The ratio designated as C / C: C is the capacitance of the
S ο " S ο "
in Pig. 1 veranschaulichten Kondensators an, wenn die aus der Umgebungsluft niedergeschlagenen polaren Plüssigkeitsdämpfe einen Feuchtigkeitsgehalt von 100 0Jo entsprechen. C entspricht der Kapazität des in Fig. 1 veranschaulichten Kondensators, wenn die umgebende Luft, aus der der polare Flüssigkeitsdampf niedergeschlagen v/ird, im wesentlichen keinerlei Feuchtigkeit enthält. Es ergibt sich, daß die Ergebnisse je nach den als Zusätze in dem Kristall enthaltenen speziellen Elementen beträchtlich voneinander abweichen und außerdem davon abhängen, welcher besondere polare Flüssigkeitsdampf bestimmt bzw. ermittelt werden soll.in Pig. 1 when the polar liquid vapors precipitated from the ambient air correspond to a moisture content of 100 0 Jo . C corresponds to the capacitance of the capacitor illustrated in FIG. 1 when the surrounding air from which the polar liquid vapor is precipitated contains essentially no moisture. It turns out that the results differ considerably depending on the special elements contained as additives in the crystal and also depend on which particular polar liquid vapor is to be determined or determined.
In der Tabelle sind als zweite Verhältnisgrößen die Werte G /G angegeben. G entspricht dem spez. Widerstand des in Fig.1 dargestellten Kondensators, vvenn der polare Flüssigkeitsdampf einer Feuchtigkeit von 100 c/> entspricht, während G den spez. Widerstandswert angibt, wenn der polare Flüssigkeitsdampf im wesentlichen frei von Feuchtigkeit ist. Für beide angegebenen Verhältnisse gilt, daß die vVechselspannung derIn the table, the values G / G are given as the second ratio. G corresponds to the spec. Resistance of the capacitor shown in Fig.1, vvenn the polar liquid vapor corresponds to a humidity of 100 c /> , while G the spec. Resistance value indicates when the polar liquid vapor is essentially free of moisture. For both specified ratios it applies that the alternating voltage of the
• ft · < • » * α• ft · <• »* α
Bestlsssungsvorrlehtung nbex die Elektroden zugeführt wird«. Die Yerhältnlswerte ergat-en sich bei Eaustesperat-ur und in auf Raumtemperatur erwärmter Luft. 3)1 e In den Kristall eingeschlossenen Zusätze lagen mengenmäßig im Bereich von etwa 0,001 bis 10 l&ol-fo. Bei Betrachtung öer tabelle I 1st leicht ersichtlich, daß die polares Flüssigkeitsdäapfe eine einschlägige Wirkung auf die dielektrischen und wl— derstandsmäßlgen Eigenschaften ferroelektrlscher oder fer— rIelektrischer Kristalle ausüben. Weiterhin zeigt sich, daß bestimmt*. Zusätze die Xapazitätsvariatlonsempflndlleh— keit vergrößern, so z.B. Strontia, Xanthan, Zirkon und |Bestlsssungsvorrlehtung when the electrodes are fed «. The values obtained are obtained from exposure to temperature and in air warmed to room temperature. 3) 1e Additives included in the crystal were in the range from about 0.001 to 10 l ole-fo in terms of quantity. Looking at Table I, it is easy to see that the polar fluid vapors have a pertinent effect on the dielectric and resistive properties of ferroelectric or ferroelectric crystals. It also shows that certain *. Additives increase the capacity variability, for example strontia, xanthan, zircon and |
Chrom. Andere Zusätze dagegen vergrößern, die Widerstands— I variationsenipfIndllchkeit j so z.B. Lanthan, 2ίΙοΐ>, tantal J und Molybdän. In einigen Fällen sind die !beiden Effekte etwa gleich.. In einigen !Fällen dominiert -die Empfindlichkeit bei Widerstandsveränderung. In anderen Fällen herrscht die Empfindlichkeit bei der Veränderung des kapazitiven Effekts vor..Chrome. Other additions, on the other hand, increase the resistance - I. Variation nipfIndlchkeit j e.g. lanthanum, 2ίΙοΐ>, tantalum J and molybdenum. In some! Cases the! Two effects are about the same .. In! Some! Cases, the sensitivity dominates if there is a change in resistance. In other cases the sensitivity to the change prevails capacitive effect.
Tabelle I veranschaulicht, wie dieser Effekt zur Messung und Steuerung von Feuchtigkeit anwendbar ist, beispielsweise, wenn bestimmte Y/isimrttltanatkrlstalle solche Zusätze, wie etwa Zirkon, Hafnium, Uiob und Tantal aufweisen, die besonders geeignet sind. Bei der Auswahl der Zusätze muß die Ansprechempfindlichkeit, d.h. ä-ie die Antv/ortgröße, und ebenso die Ansprechzeit beachtet werden, die im allgemeinen etwa 5 Minuten beträgt, während für stärker ansprechende Zusätze, wie etwa Chrom, die Ansprechzelt etwa 20 Minuten beträgt, was einem relativ langsamen Ansprechverhalten entspricht.Table I illustrates how this effect can be used to measure and control moisture, for example when certain Y / isimrttltanatkrlstalle have such additives as zirconium, hafnium, uiobium and tantalum which are particularly suitable. When choosing the additives, the response sensitivity, i.e. the response size, and also the response time must be taken into account, which is generally about 5 minutes, while for more responsive additives, such as chromium, the response time is about 20 minutes, which corresponds to a relatively slow response behavior.
Aus Tabelle I ergibt sich auch, daß andere polare Flüssigkeitsdämpfe bei bestimmten in Wismuttitanat enthaltenen Zusätzen ausgezeichnete Empfindlichkeit bzw. AnsprechwerteTable I also shows that other polar liquid vapors with certain contained in bismuth titanate Additions excellent sensitivity and response values
50081185008118
ergeben. So ergibt sich beispielsweise mit Mangan in einem Wismuttitanatkristall1 ein gutes Ansprechverhalten, wenn Essigsäure bestimmt werden soll, während derselbe Zusatz für Wasserdampffeuchtigkeit relativ kleine Werte ergibtoresult. For example, manganese in a bismuth titanate crystal 1 gives a good response behavior when acetic acid is to be determined, while the same addition gives relatively small values for water vapor moisture
Bei einem anderen Beispiel ergibt der Zusatz Samarium eine sehr hohe Y/iderstandsvariation für Dimethylformamid, während der Effekt bei Feuchtigkeit sehr gering ist0 In another example, the addition of samarium results in a very high Y / resistance variation for dimethylformamide, while the effect is very low with moisture 0
Es wurde auch ermittelt, daß auch die seltenen Erden als Zusätze in die ferroelektrisehen Kristalle eingebracht werden können, wenn V/asserstoffsulfit bestimmt werden soll, das im polaren Flüssigkeitsdampf von Rohöl vorliegt»It was also found that the rare earths were also incorporated into the ferroelectric crystals as additives can be used if hydrogen sulfite is to be determined, which is present in the polar liquid vapor of crude oil »
In Fig. 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die einen aus einer geeigneten ferroelektrischen oder ferrielektrisehen Substanz, wie oben beschrieben, hergestellten Kristall aufweist. Die Bereichswände sind wiederum schematisch durch Bezugszeichen 32 angedeutet, und die positiven und negativen Zeichen weisen auf die entgegengesetzt polarisierten, durch die Bereiehswände getrennten Flächen hin. Die wenigen schematisch dargestellten Bereiche dieser Fig. sind nur als Beispiele für die in Draufsicht dargestellten Bereiche zu. verstehen, die im allgemeinen in einer Art "halbzufälliger" Form über die gesamte Kristallstruktur verteilt sind.In Fig. 2 is a modified embodiment of the invention shown, which consists of a suitable ferroelectric or ferrielectric substance, as described above, Has produced crystal. The area walls are again indicated schematically by reference numeral 32, and the positive and negative signs point to the oppositely polarized ones, through the area walls separate surfaces. The few areas shown schematically in this figure are only given as examples for the areas shown in plan view. to understand, which are generally about in a kind of "semi-random" form the entire crystal structure are distributed.
Ähnliche -^lektroäen können in geeigneter Weise an gegenüberliegenden Seiten des Kristalls angebracht sein, wie dies für eine der Elektroden 34 aus Fig. 2 ersichtlich ist» Diese ganz allgemein nix des Bezugsseiehen 34 bezeichnete Elektrode v/eist ein im allgemeinen zylindrisches Mittel— stück auf j das mit einer Ansah! länglicher, sich nachSimilar- ^ lectroes may suitably be at opposite Sides of the crystal, as can be seen for one of the electrodes 34 from FIG. This generally denotes nothing of the reference chain 34 Electrode is a generally cylindrical means - piece on j that with a look! elongated, after
118118
außen strahlenförmig erstreckender Teile 38 versehen ist,. Ein geeigneter elektrischer leiter bzw. Anschluß 40 ist mit der Elektrode verbunden. Sin ähnliches Elektrodengebilde ist auf der gegemiberliegenden Seite des Kristalls vorgesehen.is provided radially extending parts 38 on the outside ,. A suitable electrical conductor or connector 40 is connected to the electrode. A similar electrode structure is on the opposite side of the crystal intended.
Diese spezielle Elektrodenkonfiguration weist im Verhältnis zur Elektrodenfläche eine große äußere Uafangslinie auf und erwies sich als wirksamer als eine einfache kreisförmige Elektrode, wie sie in Verbindung mit Pig. 1 beschrieben v/urde.This particular electrode configuration exhibits in proportion a large outer peripheral line to the electrode surface and proved to be more effective than a simple circular one Electrode as used in conjunction with Pig. 1 described v / urde.
Es können auch verschiedene andere Elektrodenkonfigurationen mit dem Ziel verwendet werden, die äußere TJnfangslinie für eine gegebene Eiektroaenfläcne zu irexgroBern· Es wird jedoch wiederum betont, daß die freie Kristallfläche relativ zur Elektrodenfläche groß sein sollte, insbesonde-Various other electrode configurations can also be used to be used with the aim of the outer peripheral line for a given electrical surface to be irex larger · It however, it is again emphasized that the free crystal surface should be large relative to the electrode surface, in particular
- re sollte dieses Verhältnis von freier Kristallfläche zur- re should be this ratio of free crystal area to
Elektrodenf Tuche zumindest so groß sein wie -die Verhält— nisse C /C und gVG, die sich etiva aus tabelle I ergeben*Electrode cloths should be at least as large as -the ratio- nisse C / C and gVG, which result from table I *
öSÖS
Sie freie SristaJLlfläoire sollte iis allg zehnmal so groß sein wie die Elektrodenfläche und in einigen Fällen 50 mal so groß oder noch, größer sein»They should be free of charge in general be ten times as large as the electrode area and in some cases 50 times as large or even larger »
Bei dem in Fig* 3 dargestellten Beispiel wird sin den obigen Kristallen ähnlicher Kristall 50 verwendet, -wobei bei dieser erfindungsgemäßen Ausführongsform die "beiden mit dem Kristall in Kontakt stehenden Elektroden gemeinsam auf einer Stirnfläche des Kristalls angeordnet sind. Bie erste Elektrode weist ein Mittelteil 52 aui, das mit einer Anzahl länglicher, in radialer Sichtung nach außen abstehender Seile 54 versehen ist. Mit dieser -Elektrode ist ein elektrischer Anschluß 55 verbunden. Die andere Elektrode Tseist ein im allgemeinen kreisförmiges Teil 58 air?, das mit inIn the example shown in FIG. 3, sin becomes the above Crystals similar to crystal 50 used, with this embodiment of the invention the "two with the crystal in contact electrodes together are arranged on an end face of the crystal. The first electrode has a central portion 52 aui, with a number elongated ropes 54 protruding outward in radial sighting are provided. With this -electrode is an electric Terminal 55 connected. The other electrode is Tse a generally circular part 58 air? marked in
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radialer Eichtung nach innen ragenden länglichen Teilen 60 versehen ist, die in den Zwischenräumen zwischen den länglichen Teilen 54 der anderen Elektrode zu stehen kommen. Ein elektrischer Anschluß 64 ist mit der zweiten Sieztrode verbunden.radial direction inwardly projecting elongated parts 60 is provided in the spaces between the elongated parts 54 of the other electrode come to stand. An electrical connector 64 is with the second Sieztrode connected.
Es ist ersichtlich, daß bei dieser Anordnung eine maximale äußere TJmfangslinie für jede der räumlich getrennten Elektroden für die betreffende Fläche erreicht wird.It can be seen that with this arrangement there is a maximum outer circumferential line for each of the spatially separated Electrodes for the area in question is achieved.
Auch in diesem Fall sollte die freie Kristallfläche wesentlich größer sein als die Elektrodenflache, und zwar In etwa Im selben Verhältnis wie oben beschrieben. In diesem Beispiel umfaßt die freie Kristallfläche den sichtbaren xeil der Srlställofeerflache In FIg. 3, der nicht von den Elektroden bedeckt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel schließt die freie Kristallfläche die gegenüberliegende Stirnfläche des Kristalls nicht ein, da gemäß Definition die freie ErIstallflache nur diejenige Kristalloberfläche umfaßt, auf der Elektroden angeordnet sind,.In this case, too, the free crystal surface should be significantly larger than the electrode surface In roughly the same ratio as described above. In this example the free crystal face includes the visible one xeil of the Srlställofeerflache In FIg. 3 that is not of covered by the electrodes. In this embodiment, the free crystal face closes the opposite one The end face of the crystal is not included, since, according to the definition, the free surface area is only that crystal surface comprises, on which electrodes are arranged.
Bei dem Ausführungsbelsplel gemäß Pig. 4 1st ein den obigen ähnliches Eln-Krlstall—Plättchen 70 vorgesehen, auf dessen einer Oberfläche eine Elektrode 72 befestigt Ist, ■die 3ült einer Anzahl nach außen ragender läriglleheT Teile 74 versehen Ist. Eine ähnliche Elektrode 76 ist auf der gegenüberliegenden Stirnfläche des Kristalls befestigt und weist zur ¥ergröSerung der Umriß— oder "üafangsabmes— sung für eine vorbestlainte Slefetrodeniläehe dieselbe Konfiguration auf.In the execution bell according to Pig. 4 1st one of the above Similar Eln-Krlstall-plate 70 is provided, on one surface of which an electrode 72 is attached, ■ The 3ils of a number of protruding parts of the wall 74 is provided. A similar electrode 76 is mounted on the opposite face of the crystal and points to the enlargement of the outline or "üafangsabmes" Solution for a pre-ordered slefetrodenilähe the same configuration on.
3)urch eine Bodenplatte 80 laufen zwei Ansehlußlelt er 82 und 84 j die durch einen von der Bodenplatte getragenen Isolierkörper 86 gehalten werden. Bas Isoliermaterial des Körpers 85 kann dem bei Sr'anslstcrbodenplatten verwendeten Material ähnlieh sein. Die AnschluSlelter 82 und 84 sind3) Two connections 82 run through a base plate 80 and 84 j those carried by one of the bottom plate Insulating body 86 are held. Bas insulation material of the Body 85 can be the same as that used in stainless steel floor panels Material similar. The connection terminals 82 and 84 are
rait den Elektroden 12 und 76 durch Anschlußteile 90 und 92 entsprechend verbunden, beispielsweise durch Silberpaste, durch Verschweißen oder ähnliches. Auch hier entsprechen die relativen Größen der freien Kristallelache Ixxlu. CtSX* ijiSjv oj?Ou.€il j. .1.3. CnS \x^Tl VOj?O3?\VS.ixii u6ii /Λ37j. *_*.*. üvo. "Iwovii «The electrodes 12 and 76 are correspondingly connected by connecting parts 90 and 92, for example by silver paste, by welding or the like. Here, too, the relative sizes of the free crystal pool correspond to Ixxlu. CtSX * ijiSjv oj? Ou. € il j. .1.3. CnS \ x ^ Tl VOj? O3? \ VS.ixii u6ii / Λ37j. * _ *. *. üvo. "Iwovii"
Der Kristall der Bestimmungsvorrichtung ist durch eine Haube 96j die über die Bodenplatte gezogen ist, geschützt und weist eine große Anzahl Löcher 98 auf, so daß ein po- \ larer Flüssigkeitsdampf an die Kristalloberfläche gelan-The crystal of the determining device is moved by a hood 96j via the bottom plate is protected and has a large number of holes 98, so that a po- \ larer gelan- liquid vapor to the crystal surface
' gen kann. Es ist ersichtlich, daß viele andere Arten von'gen can. It can be seen that many other types of
• Schutzgehäusen zur Halterung und zum Schutz der- erfin-• Protective housings for holding and protecting the inven-
dungsgeinäßen Bestiamungs- bzw, Nachweis vor richtung ver-Appropriate assessment or proof before the direction
wendet v/erden können»applies to / can ground »
3?ig. 5 zeigt eine eil/irische Schaltung, die die erfindungsgemäße Bestimraungsvorrichtung enthält.. Als Kondensator 100, der einen Zweig einer abgeglichenen Wlieatstone— Brücke bildet, kann aus einer der vorstehend beschriebenen erfindungsgeinäfien kapazitiven Meß- bzw, Bestimmungs— vorrichtung^ hgstshen. TIag BriiGirsiigleieliigs die variable Kapazität 102 und den variablen Widerstand sowie durch eine richtige Auswahl des Widerstandes 1C8 eingestellt werden. Eine Wechselspannung aus einer mit den An— schlußklsinsen 110 und 112 verbundenen Quelle "wird der Brufc— ke an dein Yerbindungspunkx der Widerstände U 04 und 108 sowie an der/schluSkleiEne 118, die durch die Verbindung der kapazitiven MeSvcrrichtung 1OC und der Eapasität 102 gebildet -wird, zugeführt. Ss ist den Fachsann bekannt, daß3? Ig. 5 shows an Irish circuit which contains the determining device according to the invention. Capacitive measuring or determining devices can be used as the capacitor 100, which forms a branch of a balanced Wlieatstone bridge, from one of the inventive functions described above. T Iag BriiGirsiigleieliigs the variable capacitance 102 and the variable resistance as well as by a correct selection of the resistor 1C8 can be set. An alternating voltage from a source connected to the connection lenses 110 and 112 is the bridge to the connection point of the resistors U 04 and 108 and to the connection terminal 118, which is formed by the connection of the capacitive measuring device 10C and the capacitance 102 - It is known to those skilled in the art that
{ die Potentialdifierenz zisäseiien den Anschlüssen 114 und{the potential differences cise the connections 114 and
\ 116 bei abge^üeiienei- Brücke 25ull ist« \ 116 when the bridge is broken
Die AaascM.iiSsleiEnnsii 114, 116 und 118 der Brücke sind sätThe AaascM.iiSsleiEnnsii 114, 116 and 118 of the bridge are sown
*' einesi Sospara.tci· 120 verbunden, der einen Different:!* 'einsi Sospara.tci · 120 connected, of a Different :!
J stäriker entiialten kann, Mit des Ausgang desJ can develop more strongly, with the outcome of the
118118
ist ein elektrisches Anzeiginstruinent 122, beispielsweise ein Milliamperemeter oder ein ähnliches Meßgerät, verbunden«is an electrical display instrument 122, for example a milliammeter or similar measuring device, connected "
Wenn der Meß- bzw. liaehw ei skond ensat or 100 polaren Flüssigkeit
s dämpfen ausgesetzt wird, so verändert sick die Kapazität
oder der Widerstand c j.er beide und bringen die Brük—
ke aus dem Gleichgewicht. Als Ergebnis v;ird die Ausgangsgröße
des Eciaparators 120 durch die Anzeigevorrichtung
überwacht, und die in der Hingebung vorhandene Dampfsenge
kann abgelesen τ.-erden. Ss ist auch ersichtlich, daß auch eine geeignete Aufzeichnungs- biw. Speichervorrichtung anstelle
des Anzeigegeräts 122 verwendet werden kann.If the measuring or, as a rule, condensate or 100 polar liquid vapors is exposed, the capacitance or resistance c j of both changes and brings the bridge out of equilibrium. As a result, the output of the eciaparator 120 is displayed by the display device
monitored, and the steam cone present in the devotion can be read τ.-earth. It can also be seen that a suitable recording biw. Storage device can be used in place of display device 122.
In Pig. 6 kann der Heß- bzw. liachv/ei skond ensat or 130 in
seinem konstruktiven Aufbau beispielsweise einer der erfindungsgemäßen
Ausführungsforaen nach Pig. 1 bis 4 entsprechen.
Dieser Kondensator liegt ebenfalls in einer
Yßieatstone'sehen Brückenanordnung, die eine variable Kapazität 132, einen veränderbaren Widerstand 134 und einen ft'iderstand
136 aufweist. Die Einrichtung zur Erzeugung der Steuerwechselspannung enthält bei dieser Ausführungsform
der Vorrichtung einen kleinen transistorisierten Colpit-Oszillator 150, der über einen Koppelkondensator 152 icit
der Wheatstone'sehen Brücke verbunden ist. Me Erregung
des Oszi Uators v/ird - wie bekannt - über einen Oszillatorschwingkreis
und eine entsprechende Rückkoppelung erzeugt. Die Induktivitäts- und Kapazitätswerte des Oszillators
werden so gewählt, daß eine erforderliche Wechselstroafrequenz
erzeugt wird, und sie kann, falls erforderlich, mit geeigneten Verstärkern versehen sein, um eine '
geeignete einstellbare Spannung zu gewinnen, so daß die
Bereichskonfiguration des ferroelektrischen Kristalleleraents
nicht umgeschaltet wird.In Pig. 6 the Heß- or liachv / ei skond ensat or 130 in
its structural design, for example, one of the Pig execution forms according to the invention. 1 to 4 correspond. This capacitor is also in a
Yßieatstone's see bridge arrangement which has a variable capacitance 132, a variable resistance 134 and a resistance 136. In this embodiment of the device, the device for generating the alternating control voltage contains a small transistorized Colpit oscillator 150 which is connected to the Wheatstone bridge via a coupling capacitor 152. Me excitement
of the oscillator v / ird - as known - generated via an oscillator circuit and a corresponding feedback. The inductance and capacitance values of the oscillator are chosen so that a required alternating current frequency is generated and, if necessary, it can be provided with suitable amplifiers in order to obtain a suitable adjustable voltage so that the
Area configuration of the ferroelectric crystal element is not switched.
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Der Brück en abgleich kann durch die variable Kapazität und den veränderbaren "Widerstand 134 und durch richtige Auswahl des- Widerstands 136 eingestellt werden.The bridge balancing can be done by the variable capacity and the variable "resistor 134 and through correct Selection of the resistor 136 can be set.
Der Ausgang der Wheatstone·sehen Brücke ist mit den Eingangsklemmen 154 und 156 eines Funlctions- bzw. Rechenverstärkers 160 verbunden. Der Verstärker entsprichx dem handelsüblichen Typ Amelco 809 C, der in integrierter Schaltung aufgebaut ist und durch die Firma Amelco Semiconductor, Division of Teledyne Inc., 1300 Terra Bella Avenue, Mountain View, California, hergestellt wird. Dieser bekannte und weit verbreite ie Funktionsverstärker, der in einem kleinen Silicium-Chip ausgebildet ist', wird durch ein TO 5-Gehäuse umschlossen.The output of the Wheatstone · see bridge is with the input terminals 154 and 156 of a functional or arithmetic amplifier 160 connected. The amplifier corresponds to that commercially available type Amelco 809 C, which is integrated in Circuit is constructed and made by Amelco Semiconductor, Division of Teledyne Inc., 1300 Terra Bella Avenue, Mountain View, California. This well-known and widespread ie functional amplifier, the is formed in a small silicon chip 'is enclosed by a TO 5 package.
Zv/ischen der Ausgangsklemme 162 und der EingangsZ-clemme des Verstärkers liegt über einen Widerstand I64 eine negative Rückkoppelung. Zwischen den Anschlußklemmen 166 und 168 des Verstärkers liegen als Kompensationsglieder zur Vermeidung von unerwünschtem Schwingen des Verstärkers ein Widerstand 172 und ein Kondensator 174. Ebenso bildet der Widerstand 176, der von der Eingangsklemme 156 nach Masse geschaltet ist, ebenfalls einen Teil des Kompensationsnetzwerks. Die Anschlußklemme 180 liegt an einer positiven Batteriespannung, während die Anschlußklemme 182 mit einer negativen Batteriespannung versorgt wird.Between the output terminal 162 and the input terminal of the amplifier there is a negative feedback via a resistor I64. Between terminals 166 and 168 of the amplifier are used as compensation elements to avoid undesired oscillations of the amplifier a resistor 172 and a capacitor 174. Resistor 176 also simulates that of input terminal 156 Ground is connected, also part of the compensation network. Terminal 180 is positive Battery voltage, while the terminal 182 is supplied with a negative battery voltage.
Ist die Brücke abgeglichen, so liegt am Eingang I54 und 156 des Punktionsverstärkers keine Spannung, und dementsprechend erscheint an der Ausgangskiemme 162 kein Ausgangssignal. Ist die erfindungsgemäße Bestimmungsvorrichtung oder der Kondensator 130 polarem Flüssigkeitsdampf ausgesetzt, so verändern sich die Kapazität oder der Widerstand oder beide in Abhängigkeit von der Menge polaren Flüssigkeitsdampfes, und die Brücke gerät aus dem Gleich-If the bridge has been adjusted, I54 and are at the input 156 of the puncture amplifier no tension, and accordingly no output signal appears at the output terminal 162. If the determination device according to the invention or the capacitor 130 is exposed to polar liquid vapor, so the capacitance or the resistance or both change depending on the amount of polar Liquid vapor, and the bridge gets out of balance
Besientsprechsna verändert sich das Ausgangs signal des Punktionsverstärkers proportional zur Menge des auf der Kristal!oberfläche der Best!übungsvorrichtung 130 niedergeschlagenen Dampfes.Besientsprechsna changes the output signal of the puncture intensifier proportional to the amount of that deposited on the crystal surface of the training device 130 Steam.
Die AusgangsklenHne 162 des Verstärkers ist über Widerstände 1S0 und 192 z?it einem steuerbaren Siliciumgleichrichter 194 verbunden, der- eine SelastungsiiSpedanz 1So aufweist, die, schematiseh dargestellt, durch einen Widerstand in Reihe mit einer positiven Spannungsquelle gebildet ist. Der steuerbare Siliciumgleichrichter wird durch eine negativeThe output cycle Hne 162 of the amplifier is across resistors 1S0 and 192 z? It a controllable silicon rectifier 194 connected, which has a load impedance 1So, which, shown schematically, is formed by a resistor in series with a positive voltage source. the controllable silicon rectifier is through a negative
§ Potentialquelle 198 vorgespa.ist. Das an der Äusgangskleoinne§ Potential source 198 is pre-charged. The one at the exit point
162 des Verstärkers anstehende Potential ist durch Veränderung des y/iderstands 190 einstellbar, um so eine bestimmte Trigger-Spannung bzw. einen Trigger-Spannungspegel zu gewinnen, ab welchem der steuerbare Siliciumgleichrichter leitend wird und eins geeignete Steuereinrichtung, beispielsweise ein Seiais, einen Motor oder ähnliches dadurch einschaltet, daß die Treiberspule oder ein Widerstand einer solchen Steuervorrichtung als Lastimpedanz verwendet wird.162 of the amplifier potential can be adjusted by changing the y / resistor 190 in order to obtain a certain trigger voltage or a trigger voltage level from which the controllable silicon rectifier becomes conductive and a suitable control device, for example a Seiais, a motor or similar turns on in that the drive coil or a resistor of such a control device is used as the load impedance.
Demgemäß ist es möglich, einen bestimmten Schwellwert bzw. einen Einsatzpunkt zur Steuerung einer Luftbefeuchtungsoder Entfeuchtungsanlage einzustellen, so daß geeignete Steuervorrichtungen für die Luftfeuchtigkeit durch den Schaltkreis ein- bzw. ausgeschaltet werden können. Durch Einstellung des Pegels der Vorspannung kann der Schaltvorgang gesteuert v/erden, so daß ein gewünschter Grad an Luftfeuchtigkeit entsteht. Ss ist ersichtlich, daß anstelle des gesteuerten Siliciimgleichriehters ein magnetisches Relais oder ein Transistorschalter und ähnliches ebenso verwendet werden können.Accordingly, it is possible to set a certain threshold value or a starting point for controlling an air humidification or Adjust the dehumidification system so that suitable control devices for the humidity through the Circuit can be switched on or off. By Adjusting the level of the bias voltage can control the switching operation so that a desired level is achieved Humidity arises. Ss can be seen that instead of of the controlled silicon alignment a magnetic relay or a transistor switch and the like as well can be used.
Die Verwendung eines Punktionsverstärkers der in Pig. 6 dargestellten Schaltung erhöht die Empfindlichkeit der Anordnung beträchtlich, und es ergibt sich ein linearer Zu-The use of a puncture intensifier as described in Pig. 6 increases the sensitivity of the arrangement considerable, and there is a linear increase
59081185908118
I sammenhang zwischen der Ausgangsgröße der mit dem ferro-I relationship between the output variable of the ferro-
I elektrischen Kristall ausgerüsteten Bestimmungsvorrieh-I equipped with an electric crystal
I tung und der Ausgangsgröße des Punktionsverstärkers.I tion and the output size of the puncture amplifier.
Gemäss Pig. 7 sind zwei elektronische Oszillatoren 200 und 202, die mit einer abgedichteten, schematisch durch eine gestrichelte Linie 204 'dargestellte Umhüllung umgeben sind, vorgesehen.According to Pig. 7 are two electronic oscillators 200 and 202, which are surrounded by a sealed envelope, shown schematically by a dashed line 204 ' are provided.
I Der Oszillator 200 ist abstimmbar und wird nach Abstim-I The oscillator 200 can be tuned and is
I mung auf eine vorbestimmte- Frequenz als Referenzoszilla-I mation to a predetermined frequency as a reference oscillator
I tor verwendet. Dieser Oszillator enthält einen-weitge-I used tor. This oscillator contains a wide
I hend unabhängigen Kondensator 208, der eine vorbestimmteI starting independent capacitor 208, which has a predetermined
I Pestfrequenz bestimmt. Dies könnte, falls erwünscht,I determined plague frequency. This could, if desired,
I auch ein quarzstabilisierter Oszillator sein.I can also be a crystal stabilized oscillator.
I Die Abstimmung des zweiten Oszillators 202 wird durch dieI The tuning of the second oscillator 202 is through the
I erfindungsgemäße ferroelektrische BestimmungsvorrichtungI ferroelectric determination device according to the invention
I 210 bestimmt, die der in Pig. 4 dargestellten in etwaI 210 determined that of the in Pig. 4 shown approximately
I entspricht. Die den Kondensator 210 enthaltende läeß- bzw.I corresponds to. The condenser 210 containing the condenser 210
I BeStimmungsvorrichtung gemäß der Erfindung ändert unterI determining device according to the invention changes under
1' dem Einfluß polarer Plüssigkeitsdämpfe selbstverständlich1 'the influence of polar liquid vapors, of course
I ihre Kapazität.I their capacity.
I Die Ausgänge der beiden Oszillatoren sind auf einen Mi-I The outputs of the two oscillators are on a mini
{ scher 212 geschaltet, so daß eine Schwebungszwischenfre- { shear 212 switched so that an intermediate beat frequency
I quenz entsteht, die der durch die auf der Bestimraungsvor-I quence arises which is caused by the
J richtung 210 niedergeschlagenen Menge polaren Flüssigkeits-J direction 210 precipitated amount of polar liquid
I dampfes verursachten Kapazitätsänderung entspricht. Es istI corresponds to the change in capacitance caused by steam. It is
! selbstverständlich, daß geeignete Einrichtungen vorgesehen! it goes without saying that suitable facilities are provided
sind, damit ein Zutritt der umgebenden Luft zum Kristall der Bestimmungsvorrichtung 210 siciiergestellt ist, se daß das Vorhandensein polaren Plüssigkeitsdämpfes ermittelt ν/erden kann.are, so that an access of the surrounding air to the crystal of the determination device 210 is assured, se that the presence of polar fluid vapor is determined ν / can ground.
ö I 1 ö I 1
Die ursprüngliche Schwebungsfrequenz der Schaltung kann durch vorherige Frequenzabstimmung des Oszillators 200 relativ zur Frequenz des Oszillators 202 erfolgen, so daß ein gewünschter Meßbereich für einen bestimmten Bereich der auftretenden Luftfeuchtigkeit eingestellt werden kann. Die Ausgangsgröße der Bestimmungsvorrichtung kann, wie in Pig. 7 veranschaulicht, falls erwünscht, eine digitale Ausgangsgröße^sein, so daß digitale Zähler, oszillographische und andere Darstellungseinrichtungen betätigt werden können. Damit können die Luftfeuchtigkeitsdaten über eine Telephonleitung übertragen werden, da eine Dämpfung oder ein Fading der Signale deren Frequenz nicht beeinflußt.The original beat frequency of the circuit can be determined by prior frequency tuning of the oscillator 200 relative to the frequency of the oscillator 202, so that a desired measurement range for a certain range the occurring humidity can be adjusted. The output of the determination device can, as in Pig. 7 illustrates a digital one, if desired Output ^ be so that digital counters, oscillographic and other display devices operated can be. This allows the humidity data to be transmitted over a telephone line, as a Attenuation or fading of the signals does not affect their frequency.
Aus dem obigen ergibt sich, daß mit der Erfindung eine neue Nachweis-, Meß- bzw. Bestimmungsvorrichtung für polaren Flüssigkeitsdampf vorliegt, die auf Veränderungen des Gehalts an polarem Flüssigkeitsdainpf anspricht, wie etwa auf Luftfeuchtigkeit und ähnliche Umgebungsgrößen, ιιηα daß das oder die Ausgangssignale der erfindungsgemäßen Schaltungen zur Anzeige bzw. Messung der Dämpfe, zum Betrieb geeigneter Aufzeiehnungs- und/oder Speichereinrich-■fcungen oder für Steuervorrichtungen eingesetzt werden können, um so irgenäv/elche erwünschten geeigneten Vorrichtungen ©der Geräte zu betätigen.From the above it follows that with the invention a new detection, measuring or determining device for polar Liquid vapor is present which is responsive to changes in the content of polar liquid vapor, such as about humidity and similar environmental parameters, ιιηα that the output signal or signals of the invention Circuits for displaying or measuring the vapors, for operating suitable recording and / or storage devices or can be used for control devices, so are any suitable devices desired © of the devices.
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