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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von insbesondere kleinen elektrischen Gleichfeldern mit einer Feldmühle, bei dem eine, vorzugsweise zwei, dem Gleichfeld ausgesetzte Messelektrode (n) in wählbaren Zeitabständen von einem im Abstand von der Messelektrode rotierenden Flügelrad abgedeckt wird (werden) und die dem zu messenden äusseren Gleichfeld linear proportionalen Messwerte der Feldstärke, die mit mindestens einer additiven Fehlerkomponente, insbesondere aufgrund innerer Störladungen undloder -spannungen behaftet sind, verursacht durch elektrische Ladung aufkorrodierter Oberfläche und/oder Verschmutzung von Elektrode und/oder Flügelrad sowie Verstärkeroffsetspannungen, nach Verstärkung einer Auswerteschaltung und Anzeigevorrichtung für die Feldstärke zugeführt werden.
Ferner betrifft die Erfindung eine Feldmühle, die insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignet ist.
Feldstärkemessungen sind insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Gefahr droht, dass es infolge elektrostatischer Aufladungen zu Explosionen kommen kann, z. B. in der chemischen Industrie, beim Hantieren mit Sprengstoffen, beim Auftanken von Flugzeugen usw. In der Meteorologie erwartet man sich durch Feldstärkemessungen zusätzliche Information über herannahende Gewitter. Bei Flugzeugen bedeuten grosse Feldstärken eine erhöhter Gefahr eines Blitzeinschlages, welcher durch Veränderung des Flugweges ausgewichen werden kann. Eine Warnung vor zu hohen elektrostatischen Feldern, z. B. an Personen, kann auch beim Hantieren mit empfindlichen Halbleiterbauteilen Zerstörungen verhindern.
Eine Möglichkeit zur Messung der elektrischen Feldstärke besteht in der Verwendung von Feldmühlen. Durch Oxidation und Verschmutzung der empfindlichen Teile kommt es zu einem additiven Messfehler, der zeitlich schwankt. Bei der Messung grosser Felder ist diese Abweichung ohne Bedeutung. Wenn man kleine Felder messen will, kann sich dieser Fehler, der in der Grössenordung von 100 V/m liegen kann, störend auswirken.
Man kann das Gerät nicht mit einer Abdeckung schützen, da dadurch das zu messende Feld entweder abgeschirmt oder stark verfälscht wird. Bisher war die einzig mögliche Abhilfe ein regelmässiges Nachstellen des Nullpunkts. Dieser Vorgang muss in kurzen Zeitabständen erfolgen und wird noch durch die Tatsache erschwert, dass es schwierig und teuer ist, einen Raum mit der erforderlichen geringen Feldstärke bereitzustellen, da auch im Inneren eines Faradayschen Käfigs geladene Staubteilchen und Oberflächenladungen ein elektrisches Feld verursachen können.
Bei der Messung elektrischer Felder mit Hilfe der bekannten Feldmühlen tritt somit ein additiver Messfehler auf. Auch Versuche zur Beseitigung des Fehlers durch Verwendung verschiedener Materialien (Kupfer, Silber, Graphit) brachten nicht die insbesondere für die Messung kleiner Felder notwendigen Verbesserungen.
Zur Erzielung von Verschmutzungen und Ablagerungen unabhängiger Messwerte ist ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass zur Eliminierung der additiven Fehlerkomponente (n) aus den Messwerten zunächst eine erste Messung der Feldstärke vorgenommen wird, während der das Flügelrad in einen ersten Abstand vor der Messelektrode verstellt ist, dass darauffolgend, vorzugsweise in möglichst geringem zeitlichem Abstand, zumindest eine weitere Messung der Feldstärke vorgenommen wird, während der (denen) das Flügelrad in einen zweiten bzw. weiteren, vom ersten bzw.
von den vorhergehenden verschiedenen Abstand vor der Messelektrode verstellt ist, wobei der (die) Messwert (e) der vorangehenden Messunge (en) vor dem Verstellen des Abstandes jeweils gespeichert werden, und dass die Messwerte in der Auswerteschaltung unter Zuhilfenahme von bereits ermittelten Gerätekonstanten, welche die linearen Zusammenhänge in Form von linear unabhängigen Gleichungen definieren, die Feldstärke, und/oder die additive (n) Fehlerkomponente (n) errechnet werden.
Eine bevorzugte Durchführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Gerätekonstanten in jedem der festgelegten Abstände zwei Messungen bei jeweils unterschiedlichen Werten einer vorgegebenen Feldstärke, wobei ihr Unterschied genau bekannt ist, sowie zwei Messungen bei unterschiedlichen Werten einer vorgegebenen Potentialdifferenz zwischen Flügelrad und Sensorelektrode, wobei der Unterschied zwischen den Potentialdifferenzen genau bekannt ist, durchgeführt werden, und dass die ermittelten Gerätekonstanten der Auswerteschaltung eingegeben werden.
Eine erfindungsgemässe Feldmühle ist dadurch gekennzeichnet, dass die Feldmühle eine Verstelleinrichtung aufweist, mit der das Flügelrad und/oder die Messelektrode relativ zueinander in zumindest zwei bestimmte Lagen mit unterschiedlichem Abstand zwischen Messelektrode und Flügelrad verschiebbar sind, und dass die Auswerteschaltung eine Rechenschaltung zur Berechnung der Feldstärke aus der bei den unterschiedlichen Abständen gemessenen Messwerten und eingegebenen Gerätekonstanten aufweist.
Der Vergleich zweier Messweisen desselben Feldes, die mit zwei verschiedenen Abständen zwischen Flügelrad und Sensorelektrode durchgeführt wurden, ermöglicht die Trennung der Signalkomponente, die durch das äussere zu messende Feld verursacht wird, von der im Inneren der Feldmühle durch geladene Verschmutzungen oder Messverstärker-Offset-Schwankungen entstandenen Störkomponente. Dadurch lassen sich Nullpunktdriften unwirksam machen und die Messung kleiner Felder wird wesentlich erleichtert. Die automatische Korrektur des Nullpunkts kann bei anliegendem Feld erfolgen und es kommt dadurch zu keiner längeren Unterbrechung der Messung. Wichtig ist auch die Tatsache, dass zur Kalibrierung bzw. zur Bestimmung der Gerätekonstanten keine absolut bekannten Felder, sondern nur bekannte relative Feldänderungen benötigt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sowie weitere erfindungsgemässe Merkmale sind der Beschreibung, den Patentansprüchen und den Zeichnungen zu entnehmen.
Die Feldmühle gemäss Fig. 1 besteht im Prinzip aus einem Flügelrad (F), das von einem nicht dargestellten Motor angetrieben wird. Vom Flügelrad wird ein Sensor (S) bzw. eine Messelektrode mit einem
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angeschlossenem Messgerät (M) (Volt- oder A-Meter) abwechselnd abgedeckt bzw. dem Feld ausgesetzt.
Die folgenden Ausführungen gelten für den Fall der Verwendung eines Strommessverstärkers (39) bzw. eines idealen Amperemeters, der mit Hilfe eines Operationsverstärkers mit Messwiderstand (R) hinreichend gut realisiert werden kann (Fig. 6, 14).
Bei der Verwendung eines Voltmeters oder beim Abschluss mit einem hohen Widerstand treten am Sensor Spannungen auf und man kann seine Kapazitäten gegenüber der Umgebung bzw. Erde nicht mehr vernachlässigen. Bei der Strommessung sorgt diese Vereinfachung für besonders übersichtliche Verhältnisse.
Fig. 2 zeigt die Feldmühle in einem elektrischen Feld (E). Die Sensorelektrode (S) und ihre Zuleitungen bestehen aus Metall und sind daher in ihrem Innerem feldfrei. Dazu muss die äussere Feldstärke durch Ladungsverschiebung kompensiert werden. Die durch Ladungsverschiebung (Influenz) herbeigeführte elektrische Ladung beträgt im nicht abgedeckten Zustand der Sensorelektrode :
EMI2.1
EMI2.2
Wenn das Flügelrad (F) das Feld abschirmt, fliesst die Ladung zurück und bewirkt einen Stromfluss
1 = dQ/dt (3. 2) der in der Zuleitung der Sensorelektrode gemessen werden kann. Beim Entfernen der Abschirmung fliesst die Ladung (Q) wieder auf die Sensorelektrode, wodurch ein feldproportionaler entgegengesetzter Strom (I) entsteht.
Der zeitliche Verlauf des Stromes (I) wird durch die Zeitfunktion des Abdeckens bzw. Öffnens der Sensorfläche durch das Flügelrad (F) bestimmt : Fig. 3 zeigt den Zeitverlauf von (Q) und (I) bzw. der Abdeckung von (A).
Bei einer Motordrehzahl (n) [U/min] und einer Anzahl (s) der Segmente beträgt die Frequenz der Ausgangsspannung :
EMI2.3
Aus (3. 1) und (3. 2) ergibt sich
EMI2.4
Darauf folgt
EMI2.5
Der Strom ist somit proportional der Feldstärke (E), der Sensorfläche (A), der Motordrehzahl (n) und der Anzahl (s) der Segmente des Flügelrades. Der Strom (If) wird durch Verstärker (39, 42) und einen Synchrongleichrichter (43) (Fig. 14) in eine proportionale Gleichspannung (UA) (44) umgeformt.
Auf Grund der Gleichung (3. 6) würde man erwarten, dass bei Feldstärke (E=0) die Ausgangsspannung (UA) ebenfallls Null sein müsste.
Der gemessene Verlauf der Ausgangsspannung (UA) als Funktion von (E) ergibt aber eine lineare versetzte Funktion, wie in Fig. 4 dargestellt.
Man kann diese Funktion folgendermassen anschreiben :
EMI2.6
Für die, von der Feldstärke unabhängige Spannung (USt) gibt es zwei Ursachen : a) Geladene Staubteilchen oder Oberflächenladungen auf der Sensorelektrode oder auf dem Flügelrad b) Offsetspannung des Strommessverstärkers
Durch die Bildung von isolierenden Oxidschichten auf der Metalloberfläche kann die Ladung eines Staubteilchens, das auf der Sensoroberfläche liegt, nicht abfliessen.
Eine weitere Möglichkeit ist, dass das Teilchen selbst nicht elektrisch leitet und daher seine Ladung auch bei gut leitender Oberfläche nicht abfliessen kann. Fig. 5 zeigt einen verschmutzten Sensor (S), wobei ein geladenes
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EMI3.1
EMI3.2
EMI3.3
Per Definition eines Strommessverstärkers ist seine Eingangsspannung und somit die Spannungsdifferenz zwischen Flügelrad und Sensor gleich Null Volt. Daraus folgt : - Die Ladung von (Cj) ist gleich Null ; es fliesst daher kein Strom durch (cul) - An (C2) liegt die Spannung (- U2). Da (C2) periodisch schwankt, entsteht ein periodischer Lade/Entladestrom durch (C2) im Stromkreis (C, Cg), Messverstärker, Masse. Dieser Störstrom überlagert sich additiv dem durch ein äusseres Feld und Influenz entstehenden Messstrom.
Die Grösse dieser Störstromkomponente (IL) lässt sich berechnen und beträgt :
EMI3.4
Die gleichen Überlegungen gelten auch für Ladungen auf dem Flügelrad, nur das Vorzeichen wechselt. Die Wirkung der Eingangsoffsetspannung eines realen Operationsverstärkers (39) ist in Fig. 6 in einem
EMI3.5
EMI3.6
EMI3.7
EMI3.8
EMI3.9
EMI3.10
EMI3.11
beträgt somit :
EMI3.12
die Ausgangsspannung (siehe Fig. 6) ergibt sich als
EMI3.13
Hieraus sieht man, dass die Störkomponente eine Funktion von (d) ist. Durch eine vorgebbare Variation von (d) können daher die aus (E) bedingte Nutzsignalkomponente von der Störsignalkomponente unterscheidbar gemacht werden.
Beim Vergleich der Gleichung (3. 16) mit der gemessenen Beziehung
EMI3.14
ergibt ein Koeffizientenvergleich für den Feldempfindlichkeitsfaktor (g)
EMI3.15
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und für den Störempfindlichkeitsfaktor (h)
EMI4.1
die Werte der Gerätekonstanten.
Zu bemerken ist, dass die Feldmühle die Komponente der Feldstärke in Richtung der Achse des Flügelrades misst.
Ferner kann das elektrische Feld durch die Sektoren des Flügelrades nur teilweise eindringen. Das bewirkt/ auch eine Abhängigkeit der Empfindlichkeit gegenüber dem elektrischen Feld vom Abstand zwischen Sensor und Flügelrad, die im folgenden durch die Funktion k (d) ausgedrückt wird : k (d) < 1 (3. 19)
Dadurch verändert sich die Beziehung (3. 17) und es ergeben sich folgende Werte für die Gerätekonstanten :
EMI4.2
Wie erwähnt, bewirkt ein geladenes Teilchen (z. B. Staub) auf der Oberfläche des Sensors oder des Flügelrades am Geräteausgang eine Störspannung. Das dadurch vorgetäuschte Feld kann bei 100 V/m und darüber liegen und sowohl positives als auch negatives Vorzeichen haben. Bei der Messung von statischen Aufladungen mit elektrischen Feldstärken von vielen KV/m ist diese Abweichung ohne Bedeutung. Oft taucht jedoch (z.
B. in der Meteorologie, der Wunsch auf, kleinere Feldstärken zu messen.
Es wäre daher wünschenswert, dieses Gerät mit einer Abdeckung vor Staub zu schützen. Ein elektrisch leitendes Material ist für diesen Zweck ungeeignet, da es das Feld vollständig abschirmt. Ein Isolator kann an seiner Oberfläche Ladungen tragen und dadurch sehr hohe Feldstärken verursachen, die das Messergebnis unbrauchbar machen. Bisher wurden die störenden Einflüsse dadurch kompensiert, dass man in regelmässigen Abständen den Nullpunkt neu eingestellt hat. Diese Methode ist besonders bei langdauernden Messungen umständlich. Ausserdem ist es (ausser im Vakuum) technisch kaum möglich, einen wirklich feldfreien Raum herzustellen.
Gleichung (3. 7) besagt, dass die Ausgangsspannung aus zwei Anteilen besteht,
EMI4.3
einem feldabhängigen und einem feldunabhängigen Anteil.
Um diese beiden Anteile zu trennen, braucht man zwei linear unabhängige Gleichungen.
Verändert man den Abstand (d) zwischen dem Flügelrad und der Messelektrode, so ändern sich die Empfindlichkeit (g und h). Dabei verändert sich (h) relativ wesentlich stärker als (g), da sich der Abstand zwischen dem Flügelrad (F) und der Messelektrode stärker ändert als der Abstand zwischen der Messelektrode und der Quelle der Feldstärke (E) (Fig. 7).
Dadurch ergeben sich bei zwei Abstandswerten (dl und d2) zwei Gleichungen, die das System lösbar machen :
EMI4.4
EMI4.5
Spannung im Abstand (d2). Hierbei wird vorausgesetzt, dass sich (E) und (USt) zwischen den beiden Messungen im Abstand (dl und d2) nicht verändert :
Da die Gerätekonstanten (g, g , h , h ) messbar und von der Feldstärke unabhängig sind, kann man das Gleichungssystem nach (E) auflösen, und erhält, wenn man zuvor die Gerätekonstanten bestimmt hat, die Feldstärke ohne Störgrösse.
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Zweckmässiger kann es sein, die Gleichungen nach (USt) aufzulösen.
EMI5.1
mit den Gerätekonstanten
EMI5.2
Dieser jeweils letzte Wert von (USt) wird in einem Speicher (51') gespeichert und abwechselnd in die jeweils aktuelle Gleichung eingesetzt. Da sich die Störspannung meistens nur langsam verändert, kann sie als Korrekturgrösse für die sich laufend verändernde Eingangsgrösse verwendet werden.
EMI5.3
EMI5.4
EMI5.5
EMI5.6
EMI5.7
der Anzeigeeinheit (56) zugeführt wird.
Die Überschreitung eines Schwellwertes von (USt) kann zur Auslösung eines Warnsignals eine Signaleinrichtung (61) herangezogen werden.
Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Feldmühle, die in ein Al-Gehäuse (G) eingebaut ist. Das Flügelrad (F) ist im Abstand (d) vor dem Sensor (S) angeordnet. Das Flügelrad (F) wird mit einer Welle (W) von einem Elektromotor (M) angetrieben. Die Verstelleinrichtung zur Änderung des Abstandes zwischen Flügelrad (F) und Sensorplatte (S) umfasst einen Nocken (15), der von einem Antrieb (4) verstellbar ist und den Sensor (S) gegen die Wirkung einer Blattfeder (14) verstellt. Anschläge (1, 2) legen die Endpositionen des Sensors (S) fest, der auf Führungen (12) verschiebbar ist. Es ist auch möglich, das Flügelrad axial zu verstellen und den Sensor (S) lagefest zu belassen. Zur Veränderung des gegenseitigen Abstandes zwischen dem Sensor (S) und/oder dem Flügelrad (F) können beliebige Verstelleinrichtungen für das Flügelrad und/oder den Sensor vorgesehen werden.
Mit (P) sind Schaltplatinen für die Auswerteschaltung und Steuerung der Funktion bezeichnet.
Der Sensor (S) wird aus einer beidseitig kupferbeschichteten Isolierstoffplatte geätzt und trägt zwei um 45 Grad versetzte Elektroden (Ep E ). Das hat gegenüber einer einfachen Elektrode den Vorteil, dass die wirksame Fläche verdoppelt wird, dass bei der Subtraktion der Ausgangsspannungen Störungen, die im Gleichtakt ankommen, herausfallen und dass bei gegebener Drehzahl und Flügelanzahl sich die obere Grenzfrequenz der Anordnung verdoppelt. Die Elektroden (E, E ) sind in ihren von den Öffnungen (F') des Flügelrades (F) (Fig. 10) überstrichenen Bereichen ident.
Die Summe der vom Flügelrad abgedeckten bzw. freigegebenen Elektrodenflächen der beiden Elektroden ist daher konstant Das in Fig. 10 dargestellte Flügelrad (F) wird nach einer CAD-Vorlage im Sprühätzverfahren aus einer 0, 4 mm starken Kupferfolie hergestellt. Damit erreicht man sowohl geringes Trägheitsmoment als auch eine sehr kleine Unwucht der Scheibe, was angesichts der hohen Drehzahlen (etwa 3000 - 5000 Ump) notwendig ist.
Die Verstelleinrichtung gemäss Fig. 11 besitzt einen Gleichstromgetriebemotor (4) mit einem eisenlosem Anker mit einer elektromechanischen Zeitkonstanten von 20 ms. Dieser bewegt über eine Exzenterplatte bzw. den Nocken (15), der um die Achse (3) verschwenkbar ist, die Sensorplatte (S) mit den Elektroden (E, E ) über die Blattfeder (14') nach vorne. In die Gegenrichtung drückt die Blattfeder (14). In den Endstellungen schliessen Mikroschalter (11) den Motor (4) kurz, um ein rasches Stoppen des Motorlaufes zu erreichen.
Mit einem Getriebe mit einer Untersetzung von z. B. 74 : 1 erreicht man Umschaltzeiten von unter 100 ms,
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und damit nur kurze Unterbrechungen des Messvorganges.
Die Halterung für den Motor (M) (Fig. 12) sowie die Kraftübertragung auf das Flügelrad (F) wurde aus Drehteilen gefertigt, um bei rotierenden Teilen geringe Unwucht bzw. bei stillstehenden Teilen ein möglichst genaues Fluchten zu erzielen. Das Flügelrad (F) ist vom Motor (M) durch die isolierenden Teile (22,23, 25) galvanisch getrennt um unter anderem die Kalibrierspannung (UK) (Fig. 14) anlegen zu können.
Die elektrische Verbindung der rotierenden Teile insbesondere des Flügelrades (F) mit dem Bezugspotential oder einer Spannungsquelle (UK) (Fig. 14) erfolgt über Bürsten (27). Der Motor (M) ist in einem Lagergehäuse (16) angeordnet und mit einer isolierenden Kupplung (22) und einem Schlauchstück (23) mit der Welle (W) des Flügelrades (F) verbunden.
Das Flügelrad (F) ist mit einer Kupplung (17) auf der Welle (W) befestigt, die ihrerseits in einem Isolierkörper (25) des Lagergehäuses (16) in einem selbstschmierenden elektrisch leitfähigen Lager (26) gelagert ist, das mit einer Feder (24) beaufschlagt ist (Fig. 12), um auch auf diese Weise das Flügelrad mit dem Bezugspotential oder der Spannungsquelle zu verbinden.
Fig. 3 zeigt eine Prinzip-Schaltung der erfindungsgemässen Feldmühle. Die Messwerte der Elektroden (Ep E2) sind einem Vorverstärker (5) zugeführt, dem ein Strommessverstärker (39) mit Messbereichumschalter nachgeschaltet ist. Die Ausgangssignale des Verstärkers (6) sind über einen Sychrongleichrichter bzw. phasenempfindlichen Gleichrichter (43) einer Rechenschaltung (51) zugeführt, an die eine Anzeigevorrichtung (56) angeschlossen ist. Dem Synchrongleichrichter (43) sind Steuersignale einer Lichtschranke (11) zugeführt, welche auch eine Drehzahlregeleinrichtung (13) für den Motor (M) steuert. Der Rechenschaltung (51) sind Signale eines Timers bzw. Taktgebers (57) zugeführt, der die Verstellzeiten der Verstelleinrichtung (4) für die Änderung des Abstandes zwischen Elektroden und Flügelrad steuert.
Fig. 14 zeigt ein Schaltungsbeispiel einer erfindungsgemässen Feldmühle. Das Flügelrad (F), das im variablen Abstand (d) vor der Sensorplatine (S) angeordnet ist, wird auf seiner Welle (W) vom Motor (M) angetrieben ; die Welle ist mit der Schleifbürste (27) während der Messung geerdet ; synchron mit dem Flügelrad (F) dreht sich eine Unterbrecherplatte (37), die einen Reflexionslichtschranken (11) unterbricht. Die Signale der Elektroden (E, E ), die von einem von einer angedeuteten, an eine Spannungsquelle (31) angeschlossenen Feldquelle (32) erzeugten, elektrischen Feld beaufschlagt werden, welche ausserhalb der Feldmühle aufgestellt ist, sind über Strommessverstärker (39) einem Summierverstärker (40) bzw. einem Differenzverstärker (42) zugeführt.
Dem Differenzverstärker (42) ist ein phasenempfindlicher Gleichrichter (43) nachgeschaltet, dem die Signale des Lichtschrankens (11) zugeführt sind und an dessen Ausgang (44) Spannungswerte (U oder UA2) anliegen, je nach dem durch die Verstelleinrichtung (4) gegebenen Abstand (d) zwischen Flügelrad (F) und Elektroden (E, E ). Die Spannungswerte (U und U ) sind dem Stromfluss des Sensors proportional. Am Ausgang (41) des Summierverstarkers liegt das dynamische Strommesssignal (im) welches von der Rechenschaltung (51) benötigt wird, um Änderungen des Wertes von (E) während der Veränderung von (d) berücksichtigen zu können.
Der Sensor besteht aus zwei gegeneinander um 450 versetzten Elekttoden, (EI'E2) (Fig. 9). Beim Betrieb der Feldmühle mit dem Flügelrad gemäss Fig. 10 entstehen demzufolge zwei um 1800 versetzte Signale. Bei der Differenzbildung werden Gleichtaktsignale unterdrückt. Der Strommessverstärker (39) verhindert Potentialänderungen des Sensors und daher auch eine Umladung seiner Kapazität gegenüber der Gerätemasse.
Um störungsempfindliche Leitungen möglichst kurz zu halten, wird ein kleiner Print mit den Verstärkern (39) direkt auf der Sensorplatine aufgelötet.
Die Verwendung eines Synchron- oder phasenempfindlichen Gleichrichters (42) bietet die Möglichkeiten einer Polaritätserkennung des elektrischen Feldes, er wirkt ferner als schmalbandiges Filter, das nur die synchrone Frequenz und deren ungeradzahlige Harmonische berücksichtigt ; er kann in einem Frequenzbereich betrieben werden, in dem das Vf-Rauschen (Funkeleffekt) bereits nahe an seinem Minimalwert liegt.
Die Spannungswerte (U und U ) werden jeweils einem Speicher (47) bzw. (48) zugeführt, denen jeweils ein Analog-digital Konverter (49,50) nachgeschaltet ist, deren Ausgangssignale einem Mikroprozessor bzw. einer Rechenschaltung (51) mit einem Rechenprogramm zur Ermittlung der Feldstärke und/oder Störspannung zugeführt sind. Der Rechenschaltung (51) sind ferner über einen Analog-digital Konverter (57) die am Ausgang (41) anliegenden dynamischen Strommesssignale (im) zugeführt. Über einen Signalweg- Unterbrecher (52) sind die berechneten Feldstärkewerte über einen Letztwert-Speicher (53) und einen DigitalAnalog-Konverter (54) einem Signalausgang (55) zugeführt, an den ein Anzeigegerät (56) für die Feldstärke (E) angeschlossen ist.
Mit (57) ist ein freilaufender Taktgeber bezeichnet, mit dem zu vorgegebenen Zeiten eine Umschaltung der Verstelleinrichtung (4), eine entsprechende Umsteuerung der Rechenschaltung (51) und entsprechende Steuerung der Messwertweitergabe erfolgt.
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Der frei laufende Taktgeber (57) erzeugt periodisch folgende Steuersignale, die den Schaltungseinheiten gemäss Fig. 14 zugeführt werden. In den einzelnen Takten (T, T...) erfolgen folgende Steuerschritte : T 1 - Abspeicherung des letzten Wertes von (Ui) im Speicher (48) und Öffnen von Schalter (52) T 2 - Umschaltung der Verstelleinrichtung (4) auf den grösseren Abstand (d2) T 3 - Messung und Speicherung des ersten Wertes von (UA2) im Speicher (47) T 4 - Berechnung von (E) T 5 - Durchschaltung von (E) auf den Signalausgang (55) T 6 - Wartezeit (beliebig wählbar) T 7 - Messung und Speicherung des letzten Wertes von (UA2) im Speicher (47) und Öffnen von Schalter (52) T 8-Umschaltung auf den kleineren Abstand (dl) T 9 - Abspeicherung des folgenden Wertes von (U}) im Speicher (48)
T10 10-wieT4 TU-wie T 5 T 12-wie T6 Dann folgen wieder Tl, T2...
Während der Zeitabschnitte (T 2, T 3, T 4 sowie T 8, T 9, T 10) wird der jeweils letzte Messwert von (E) auf den Ausgang (55) durchgeschaltet. Diese Vorgangsweise setzt voraus, dass das zu messende Feld und die Störspannung während der genannten Zeitabschnitte typisch wenige Millisekunden unverändert bleiben.
Ist diese Voraussetztung nicht sichergestellt, so können die Werte von (U oder U ) auf Feldschwankungen korrigiert werden. Das hiefür erforderliche Messsignal lässt sich dadurch gewinnen, dass mehrere (zumindest zwei) Messelektroden verwendet werden, die so geformt sind, dass ihre Summenfläche bei jeder Stellung des Flügelrades gleich gross ist. Die Änderung der Summe der Ströme beider Elektroden ist dann proportional zur Änderung der Feldstärke. Sofern derartige Elektroden vorhanden sind, wird als Messwert die Stromänderung bzw. das am Ausgang (41) anliegende Strommesssignal (im) herangezogen. Sind derartige Elektroden nicht vorhanden, kann dafür der aufgrund der Feldänderung fliessende Strom im Fusspunkt des Flügelrades herangezogen werden.
Der statische Anteil dieses Summenstromes (im) kann ausserdem zur Messung allfälliger Luftionenströme herangezogen werden.
Zur Kalibrierung der erfindungsgemässen Feldmühle stellt man die richtige Phasenlage des Synchrongleichrichters (43) ein und geht von den schon bekannten Beziehungen aus :
EMI7.1
Man kann die Gerätekonstanten (g bzw. h) durch Messungen der Ausgangsspannungsänderung bei definierten Feldänderungen bzw. Änderungen von Kalibrierspannungen (UK bzw. UK) am Flügelrad (F) bzw. am Vorverstärker (39) berechnen :
EMI7.2
Zur Ermittlung der Feldempfindlichkeitsfaktoren (gj und g2) wird derart vorgegangen, dass in jedem Abstand zwischen Flügelrad und Elektroden jeweils zwei Messungen von ungefähr vorgegebenen Feldstärken vorgenommen werden (insgesamt 4 Messungen), wobei nur der Unterschied der Feldstärken (E) genau bekannt sein muss und z. B. eine der vorgegebenen Feldstärken auch den nominalen Wert 0 besitzten kann.
Zur Ermittlung der Störempfindlichkeitsfaktoren (hl und h2) werden in beiden Abständen Messungen durchgeführt, bei denen zwischen dem Flügelrad und der (n) Elektrode (n) zwei verschiedene Potentialdifferenzen ausgebildet werden, wobei nur der Unterschied zwischen den beiden Potentialen (AUK) genau bekannt sein muss und ein Potential auch den nominalen Wert Null haben kann. Zur Ausbildung der Potentialdifferenz kann an die Erdleitung der Welle des Flügelrades eine Spannungsquelle (UK) angeschlossen werden. Eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung einer Potentialdifferenz zwischen Flügelrad und Elektrode besteht in der Einfügung eines Potentials in den Bezugspunkt des Strommessverstärkers (39), indem an diesen Punkt eine Spannung (UK') gegenüber dem Potential des Flügelrades angelegt wird (Fig. 14).
Sobald diese Konstanten bekannt sind, kann man ihre Werte der Rechenschaltung (51) eingeben bzw.
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einspeichern bzw. Potentiometer der Rechenschaltung entsprechend einstellen.
Ein normalerweise nur nach der Herstellung des Gerätes erforderlicher Kalibrierungsvorgang wird im folgenden an Hand eines Beispieles näher erläutert. Bei Messungen der Ausgangsspannungen in beiden Sensorstellungen ergaben sich folgende Verhältnisse ;
EMI8.1
<tb>
<tb> Äussere <SEP> Vorgaben <SEP> Sensorstellung
<tb> Nah <SEP> Weit <SEP>
<tb> UAl <SEP> U <SEP> [V] <SEP>
<tb> E=0, <SEP> UK, <SEP> =0 <SEP> 2, <SEP> 8 <SEP> 1, <SEP> 21 <SEP>
<tb> E=200V/m, <SEP> UK, <SEP> =0 <SEP> 2, <SEP> 17 <SEP> 0, <SEP> 91 <SEP>
<tb> E <SEP> = <SEP> 0, <SEP> UK'= <SEP> 227 <SEP> mV <SEP> 2, <SEP> 26 <SEP> 1, <SEP> 07 <SEP>
<tb> Darauf <SEP> folgt
<tb> gl <SEP> = <SEP> (2. <SEP> 8-2. <SEP> 17) <SEP> V/200 <SEP> V/m <SEP> = <SEP> 3. <SEP> 15 <SEP> * <SEP> 10".. <SEP> 3m <SEP> (6. <SEP> 3) <SEP>
<tb> g2 <SEP> = <SEP> (1. <SEP> 21-0. <SEP> 91) <SEP> V/200 <SEP> V/m <SEP> = <SEP> 1.
<SEP> 5 <SEP> * <SEP> 10 <SEP> 3m <SEP> (6. <SEP> 4) <SEP>
<tb> h1 <SEP> = <SEP> (2. <SEP> 8. <SEP> 2. <SEP> 26) <SEP> VI227 <SEP> mV <SEP> = <SEP> 2. <SEP> 379 <SEP> (6. <SEP> 5) <SEP>
<tb> h2 <SEP> (1. <SEP> 21-1. <SEP> 07) <SEP> V/227 <SEP> mV <SEP> = <SEP> 0. <SEP> 6167 <SEP> (6. <SEP> 6) <SEP>
<tb>
welche Gerätekonstanten in die Rechenschaltung (51) z. B. in deren Programmspeicher eingegeben werden, worauf die Feldmühle einsatzfähig ist.
Es ist möglich, eine Anzeige (60) für die Störspannung (USt) am Gerät vorzusehen, die eine Angabe über den Verschmutzungsgrad von Elektrode bzw. Flügelrad liefert oder eine Wamanzeige bei zu hoher Störspannung (Verschmutzung) zu aktivieren.
Zur Feststellung von mehr als einer Störkomponente müssen Messungen in mehr als zwei Stellungen vorgenommen werden, um die die Anzahl der Störkomponenten entsprechende Anzahl von linear unabhängigen Gleichungen zu erhalten. Gleichzeitig wird auch eine entsprechend grössere Anzahl von Kalibriermessungen erforderlich. Zu bemerken ist, dass auch andere Möglichkeiten der Abstandsveränderung für die Messung und Kalibrierung bestehen ; grundsätzlich sind alle auf die gemessene Spannung sowie Fehlerkomponente Einfluss nehmende Geometrieveränderung der Anordnung Flügelrad-Elektrode einsetzbar, z. B. ein Kippen der Elektrode oder ein seitliches Verschieben.
Eine seiliche Verschiebung zwischen Elektrode (n) und Flügelrad ist der bisher beschriebenen Abstandsänderung im wesentlichen gleichzusetzen und führt wie aus Gleichung 3. 16 erkennbar aufgrund sich verändernder Werte von (d) effektiv (wirksamer Abstand) auch zu einer Trennbarkeit der Signal- und Störkomponente.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.