DE3410527A1 - Sonde fuer ein geraet zur messung des elektrischen feldes - Google Patents

Description

• Sonde für ein Gerät zur Messung des elektrischen Feldes
• Bei der Messung der Stärke elektrischer Felder wird die Tatsache ausgenutzt, daß das Feld auf der Oberfläche einer Elektrode Ladungen influenziert, deren Dichte von der jewei ligen Feldstärke abhängt. Bei einem bekannten E-Feldmeter ist eine feststehende Sektorfeld-Meßelektrode vorgesehen, vor der ein auf Masse liegendes Flügelrad rotiert. Durch dieses Flügelrad wird der elektrische Fluß zur Meßelektrode mehr oder weniger abgeschirmt und schwankt deshalb periodisch zwischen einem Maximalwert und Null. Der Meßelektrode ist ein hochohmiger Arbeitswiderstand zugeordnet, an dem periodische Spannunysimpulse erzeugt werden. Die Höhe dieser Impulse ist der zu messenden elektrischen Feldstärke proportional. Mittels bekannter elektronischer Schaltungen können diese Wechselspannungssignale in ein ebenfalls der zu messenden elektrischen Feldstärke proportionales Gleichspannungssignal umgewandelt werden.
• Weitere ebenfalls mit Rotoren arbeitende Geräte zur Messung elektrischer Felder sind aus der DE-OS 26 37 713 und der US-PS 38 46 700 bekannt.
• Nachteilig an den vorbekannten Sonden ist die Tatsache, daß rotierende Teile vorhanden sein müssen. Dadurch wird der Aufbau der Sonde relativ kompliziert und - wegen des Antriebsmotors - relativ groß, was nicht nur.hinsichtlich der Herstellkosten, sondern auch hinsichtlich der Meßgenauigkeit bei in ihrer Ausdehnung begrenzten elektrischen Felder nachteilig ist.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonde für ein Gerät zur Messung des elektrischen Feldes zu schaffen, die keine rotierenden Teile mehr aufweist.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Sonde zwei kammartig ausgebildete Bauteile aufweist, welche derart ausgebildet und angeordnet sind, daß sie in eine periodische, im Bereich der Zahnreihen einander durchdringende Relativbewegung versetzbar sind.
• Eine in dieser Weise ausgebildete Sonde ist kompakt und weist keine rotierenden Teile auf. Eine exakte, potentialfreie Messung elektrischer Felder ist mit dieser Sonde möglich. Sie beruht auf der Messung der Umladungsströme, die beim Wechsel der Positionen der beiden Elektroden des "Kammkondensators" fließen. Auch als Tangentialfeld-Sonde ist sie einsetzbar.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.
• Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht der vorderen Bereiche der Elektroden 2 und 3 des erfindungsgemäßen "Kammkondensators" 1. Die Elektrode 2 ist auf einem Träger 4 fest gehaltert. Sie weist eine von den Zähnen 5 gebildete Zahnreihe auf. Die Lücken dieser Zahnreihe sind mit 6 bezeichnet.
• Der Elektrode 2 zugeordnet ist die Elektrode 3 mit ihren Zähnen 7 und Zahnlücken 8 derart zugeordnet, daß sie einander auch dann nicht berühren, wenn die Zähne 5 und 7 einander durchdringen, d. h., wenn sich die Zähne 7 der Elektrode 3 in der Ebene der Zähne 5 der Elektrode 2 befinden. Die Form der Zähne 5 bzw. 7 kann beliebig sein.
• Es muß lediglich die Forderung erfüllt sein, daß sie einander berührungsfrei durchdringen können.
• Die Elektrode 3 ist zumindest in ihrem vorderen, mit den Zähnen 7 ausgerüsteten Bereich senkrecht zur Ebene der feststehenden Elektrode 2 bewegbar.Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, kann das z. B. dadurch realisiert sein, daß die Elektrode 3 als schwingfähiges, bandabschnittförmiges, auf ihrer den Zähnen 7 abgewandten Seite fest eingespanntes Bauteil ausgebildet ist, welches sich in seiner Ruhelage in der Ebene der Elektrode 2 befindet. Mit Hilfe eines Magnetantriebs 9 kann diese Elektrode 3 in unterschiedliche Positionen gebracht oder derart in Schwingungen versetzt werden, daß die beiden Kammbereiche einander durchdringen. In Fig. 2 ist diese Bewegungsmöglichkeit dadurch angedeutet, daß zwei Positionen der Elektrode 3, die eine ausgezogen, die andere gestrichelt dargestellt sind. Zwischen diesen beiden Positionen schwingt die Elektrode 3 und durchdringt dabei in ihrer Null-Stellung die Elektrode'2.
• Fig. 3 zeigt den Einsatz des erfindungsgemäßen "Kammkondensators" als Sonde für ein Gerät zur Messung des elektrischen Feldes. Die Elektroden 2 und 3 befinden sich gemeinsam mit dem Magnetantrieb 9 in einem Gehäuse 11 aus geeignetem Material. Die Elektrode 2 ist in einem relativ schmalen Vorderteil des Gehäuses 11 fest angeordnet Die Elektrode 3 ist als schwingfähiges Bauteil ausgebildet und auf der der Elektrode 2 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 11 fest eingespannt. Mit Hilfe des Magnetantriebs 9 ist die Elektrode 3 derart in Schwingungen versetzbar, daß die auf den einander zugewandten Seiten der Elektroden 2 und 3 befindlichen Zähne 5 und 7 einander durchdringen. In diesem Bereich sollte das Gehäuse möglichst schmal und lang ausgebildet sein, damit eine kompakte Sonde entsteht und der Magnetantrieb 9 die Feldmessung nicht stört. Eine Länge der Elektrode 3 von ca. 150 mm und eine Schwingungsamplitude von ca. 15 mm haben sich als zweckmäßig erwiesen.
• Um ein elektrisches Feld mit dieser Sonde messen zu können, wird die Elektrode 3 in Schwingungen versetzt, indem der Oszillator 12 über den Verstärker 13 den Magnetantrieb 9 mit periodischen Impulsen versorgt, und die Sonde in das zu messende elektrische Feld derart eingebracht, daß die elektrischen Feldlinien etwa senkrecht auf den Elektroden 2 und 3 stehen. Eine zweckmäßige Frequenz ist 70 bis 80 Hz. Besonders günstig ist es, wenn diese Meßfrequenz gleichzeitig die Resonanzfrequenz der Elektrode 3 ist, so daß lediglich eine Resonanzanregung erforderlich ist. Infolge ihres ständigen Positionswechsels wird auf die Elektroden 2 und 3 eine ständig wechselnde Ladung influenziert. Über die aus dem Gehäuse 11 herausgeführten Leitungen 14 und 15 sind die Elektroden 2 und 3 durch einen Widerstand 16 miteinander verbunden, über den die influenzierten Ladungen fließen. Dadurch können am Widerstand 16 in ihrer Richtung wechselnde Spannungsimpulse abgenommen und im Verstärker 17 verstärkt werden. An den Verstärker schließt sich ein Bandpaß 18 zur Eliminierung eines eventuellen Netzbrumms an. Im Baustein 19 erfolgt eine Gleichrichtung des Wechselspannungssignals, so daß am Ausgang 21 ein der elektrischen Feldstärke des zu messenden elektrischen Feldes proportionales Gleichspannungssignal abgenommen werden kann. .
• Mit einer allein aus den Bausteinen 12 bis 19 bestehenden Meßelektronik wäre es nicht ohne weiteres möglich, die Richtung des zu messenden elektrischen Feldes festzustellen. Deshalb ist im Baustein 19 eine phasenrichtige Gleichrichtung der Wechselspannungsimpulse notwendig.
• Das geschieht mit Hilfe des Schmitt-Triqgers 22, der ebenfalls vom Oszillator 12 über den Phasenschieber 23 angesteuert wird.
• Die gesamte Meßelektronik ist lediglich als Blockschaltbild dargestellt. Sie ist an sich bekannt und unter dem Namen Lock-in-Verstärkung geläufig.
• Fig. 4 zeigt eine Ausführung, bei der die (in Schwingungen versetzbare) Elektrode 7 durch eine Doppelelektrode 27 ersetzt ist. Sie besteht aus einem Träger 28 aus elektrisch isolierendem Material, der auf seinen beiden Seiten mit Metallbeschichtungen 29 und 30 versehen ist, welche die Elektroden bilden. Jede Elektrode 29, 30 stellt zusammen mit der Gegenelektrode 5 einen separaten Kammkondensator dar, der jeweils an eine- Meßelektronik gemäß Fig. 3 angeschlossen wird. Die Dicke der Elektrode 5 ist etwa doppelt so groß wie die Dicke der Doppelelektrode 27.
• Mit der Doppelfeldsonde kann das elektrische Feld oberhalb und unterhalb der Sonde bestimmt werden.
• Der für die Verwendung als Sonde eines Gerätes zur Messung des elektrischen Feldes vorgeschlagene und beschriebene "Kammkondensator" ist an sich neu und stellt praktisch einen Kondensator mit veränderlicher Kapazität dar. Er kann überall dort Verwendung finden, wo eine periodisch oder auch (bei entsprechender Steuerung der Relativbewegung der Kämme oder bei entsprechender Einstellung der Lage der Kämme zueinander) aperiodisch oder stufenweise veränderliche Kapazität benötigt wird. Als Beispiel soll hier nur das Schwingkondensatorelektrometer erwähnt werden (vgl. Kohlrausch "Praktische Physik", 20. Auflage 1956, Band 2, S.14), das mit einem erfindungsgemäßen "Kammkondensator" ausgerüstet werden kann. Bei dieser Anwendung wird nicht ein elektrisches Feld gemessen, sondern es wird an den Kondensator eine zu messende Spannung angeleqt.
• Durch die zeitlich veränderliche Kapazität fließt dann in den Kondensator zuleitungen ein Wechselstrom, ohne daß die Meßspannung belastet wird.
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Claims (13)

1. Sonde für ein Gerät zur Messung des elektrischen Feldes ANSPRÜCHE Sonde für ein Gerät zur Messung des elektrischen Feldes, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie zwei kammartig ausgebildete Elektroden (2, 3) aufweist, die derart ausgebildet und angeordnet sind, daß sie in eine periodische, im Bereich der Zahnreihen einander durchdringede Relativbewegung versetzbar sind.
2. 2. Sonde nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die eine Elektrode (2) feststehend und die andere (3) in Schwingungen versetzbar ist.
3. 3. Sonde nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die in Schwingungen versetzbare Elektrode (3) als bandabschnittförmiges, auf ihrer den Zähnen (7) abgewandten Seite fest eingespanntes Bauteil ausgebildet ist.
4. 4. Sonde nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Schwingungsanregung der Elektrode (3) ein Magnetantrieb (9) vorgesehen ist.
5. 5. Sonde nach Anspruch 2, 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Meßfrequenz der Resonanzfrequenz der schwingenden Sonde (3) entspricht.
6. 6. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine der Elektroden als Doppelelektrode (27) ausgebildet ist.
7. 7. Sonde nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Doppelelektrode (27) aus einem Träger (28) aus Isoliermaterial besteht, der beidseitig mit einer die Elektroden bildenden Metallschicht (29, 30) ausgerüstet ist.
8. 8. Sonde nach Anspruch 6 oder 7 und einem der Ansprüche 2 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die in Schwingungen versetzbare Elektrode die Doppelelektrode (27) ist.
9. 9. Sonde nach Anspruch 6, 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Abstand der beiden Elektroden (29, 30) etwa halb so groß ist wie die Stärke der Gegenelektrode (5).
10. 10. Gerät zur Messung des elektrischen Feldes mit einer Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elektroden (2, 3) über einen Widerstand (16) miteinander verbunden sind.
11. 11. Gerät nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß zur Bildung eines der gemessenen Feldstärke proportionalen Gleichspannungssignals ein Gleichrichter (19) für die am Widerstand (16) abgenommenen Wechselspannungsimpulse vorgesehen ist.
12. 12. Gerät nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß zur phasenrichtigen Gleichrichtung ein vom Oszillator (12) für den Magnetantrieb (9) über einen Phasenschieber (23) angesteuerter Schmitt-Trigger (22) vorgesehen ist.
13. 13. Kondensator mit zeitlich veränderlicher Kapazität, dessen Elektroden relativ zueinander bewegbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elektroden (2, 3) nach Art eines Kammes ausgebildete Zahnreihen (5, 7) aufweisen, welche derart ausgebildet und einander zugeordnet sind, daß eine im Bereich der Zahnreihen einander durchdringende Relativbewegung möglich ist.