DE4123309C2 - Feldstärkemeßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Feldstärkemeßgerät mit mindestens zwei Meßelektroden, die durch eine zu einer Drehbewegung an­ treibbare Blende zyklisch gegenüber dem zu messenden Feld ab­ schirmbar sind, und mit mit den Meßelektroden verbundenen Meßeinrichtungen zum Messen der durch Influenz auf den Meß­ elektroden erzeugten Ladungsmenge als Maß für die Feldstärke des zu messenden Feldes, wobei die Meßelektroden einerseits und die Blende andererseits derart ausgebildet und angeordnet sind, daß die Summe der dem zu messenden Feld ausgesetzten, jeweils nicht abgeschirmten Flächen der Meßelektroden bei ro­ tierender Blende konstant ist.

Aus der DE-Z "Elektrizitätswirtschaft", 42. Jahrgang, Heft 6, Seite 121 vom 20. März 1943 ist ein als elektrostatischer In­ duktionsspannungsmesser bezeichnetes Feldstärkemeßgerät be­ kannt, das die durch Influenz auf den Elektrodenteilen er­ zeugte Ladungsmenge in der Weise auswertet, daß der beim zy­ klischen, alternierenden Abschirmen der Meßelektroden mit Hilfe einer rotierenden Blende von und zu den Elektrodentei­ len fließende dielektrische Verschiebestrom entweder direkt gemessen wird oder durch einen Meßwiderstand geleitet wird, über dem dann eine dem Verschiebestrom entsprechende Spannung abgegriffen und gegebenenfalls verstärkt wird. Die Verwendung zweier Meßelektroden einer geteilten Elektrode bietet dabei den Vorteil, daß die Stärke des zu messenden Feldes kontinu­ ierlich überwacht werden kann, da jeweils mindestens eine der Meßelektroden dem zu messenden externen Feld ausgesetzt ist.

Bei diesen bekannten Feldstärkemeßgeräten mit zwei Meßelek­ troden ist es ein Nachteil, daß auch bei der Verwendung sehr hochohmiger Meßgeräte ein Teil des Verschiebestroms von den Elektrodenteilen über das Meßgerät abfließt, wodurch sich ei­ ne Nullpunktverschiebung ergibt, die das Meßergebnis ver­ fälscht.

Andere bekannte Feldstärkemeßgeräte (vgl. beispielsweise DE-PS 29 16 857) arbeiten mit nur einer Meßelektrode, die von der rotierenden Blende alternierend abgedeckt und freigegeben wird, wobei ebenfalls die Wirkung der dabei von und zu der Elektrode fließenden Ladungsmenge ausgewertet wird.

Bei diesen Feldstärkemeßgeräten, bei denen die Elektrode über einen Meßwiderstand mit Bezugspotential verbunden ist und die dem Stromfluß durch den Meßwiderstand entsprechende Spannung gleichgerichtet und dann gemessen wird, tritt das Problem von Ladungsverlusten nicht auf.

Andererseits leiden die Feldstärkemeßgeräte dieses Typs unter dem Nachteil, daß besondere Maßnahmen erforderlich sind, wenn man die Polarität des gemessenen elektrischen Feldes bestim­ men möchte.

Feldstärkemeßgeräte mit nur einer Meßelektrode sind auch aus der DE 36 32 756 A1 und der DE 29 16 857 A1 bekannt. Bei die­ sen Meßgeräten wird durch Änderung der Geometrie bzw. der An­ ordnung der dem zu messenden elektrischen Feld ausgesetzten Flächen der Meßelektroden eine Kapazitätsänderung der Elek­ troden hervorgerufen, so daß durch Messung der auftretenden Änderung des Verschiebestroms die einwirkende elektrische Feldstärke ermittelt werden kann.

Bei beiden vorstehend angesprochenen Typen von Feldstärkemeß­ geräten ergibt sich das Problem, daß die Meßergebnisse durch Wechselspannungsanteile des zu messenden Feldes erheblich be­ einflußt werden können, insbesondere wenn die Frequenz eines dem zu messenden elektrostatischen Feld überlagerten Wechsel­ feldes ein Vielfaches der Frequenz beträgt, mit der die Meße­ lektroden von der rotierenden Blende alternierend abgedeckt und freigegeben werden.

Bei einigen bisher bekannten Feldstärkemeßgeräten stellt au­ ßerdem die teilweise erhebliche Höhe der zu messenden Span­ nung ein Problem dar, wenn man die Signalauswertung unter Verwendung preiswerter, handelsüblicher Verstärker, insbeson­ dere in Form integrierter Halbleiterverstärker, durchführen möchte.

Aus der US 2 032 932 ist ein Feldstär­ kemeßgerät mit zwei Meßelektroden bekannt, die durch ei­ ne rotierbare Blende zyklisch gegenüber dem zu messenden Feld abschirmbar sind und derart ausgebildet und ange­ ordnet sind, daß die Summe der dem zu messenden Feld ausgesetzten, jeweils nicht abgeschirmten Flächen der Meßelektroden bei rotierender Blende konstant ist. Die beiden Meßelektroden sind über einen Kommutator oder eine Gleichrichterschaltung zusammengeschaltet und an eine geerdete Meßeinrichtung angeschlossen. Auch bei dieser Ausgestaltung des Feldstärkemeßgerätes tritt der Nachteil auf, daß zumindest ein Teil des Verschiebe­ stroms von den Meßelektroden über das Meßgerät fließt, so daß sich der Nullpunkt der Messung verschiebt. Außer­ dem kann aufgrund der Gleichrichtung die Polarität des gemessenen Feldes nicht bestimmt werden.

Ausgehend vom Stand der Technik und der voranstehend aufgezeigten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Feldstärkemeßgerät dahin­ gehend zu verbessern, daß eine kontinuierliche Feldstär­ kemessung ermöglicht wird, bei der gleichzeitig die Po­ larität des gemessenen Feldes festgestellt werden kann, und daß kein nachteiliger Einfluß aufgrund von Wechsel­ wirkungen auftritt, die einem zu messenden, statischen Feld überlagert sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Feldstärkemeßgerät der gat­ tungsgemäßen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßeinrichtungen zwei parallele hochohmige Meßstrecken umfassen, von denen jede zwischen einer ihr zugeordneten Meßelektrode und einem dieser Meßelektrode zugeordneten Eingang eines zwei Eingänge aufweisenden Summierverstär­ kers vorgesehen ist, das am Eingang jeder der Meßstrec­ ken eine die betreffende Meßelektrode und eine zusätzli­ che Kapazität umfassende kapazitive Teilerschaltung vor­ gesehen ist und daß Schalteinrichtungen vorgesehen sind, die synchron zu der Drehbewegung der Blende derart al­ ternierend betätigbar sind, daß jede der Meßelektroden, während sie durch die rotierende Blende gegenüber dem zu messenden Feld abgeschirmt ist, mit Bezugspotential ver­ bindbar ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Feldstärkemeßgerät wird aufgrund der konstanten Fläche der nicht abgeschirmten Meßelektroden­ bereiche am Ausgang des Summierverstärkers ein kontinuierli­ ches, bei stationärem elektrischem Feld konstantes Signal er­ zeugt, da die Verkleinerung der einen Elektrodenfläche stets von einer entsprechenden Vergrößerung der anderen Elektroden­ fläche begleitet ist, wenn sich die abschirmende Blende dreht. Aufgrund des konstanten Ausgangssignals des Summier­ verstärkers ist daher keine Gleichrichtung erforderlich. Au­ ßerdem wird aufgrund des Vorhandenseins der parallelen Meß­ strecken am Ausgang des Summierverstärkers stets ein Signal mit der richtigen Polarität erhalten, d. h. mit einer Polari­ tät, die der Polarität des zu messenden elektrischen Feldes entspricht.

Für den Fall, daß das zu messende elektrische Feld ein Wech­ selfeld ist oder ein statisches Feld mit einem überlagerten Wechselfeld, ist mit dem erfindungsgemäßen Feldstärkemeßgerät ebenfalls eine sehr genaue Feldstärkemessung möglich. Die durch eine Wechselspannung verursachten Anteile des zu mes­ senden Feldes werden ebenso erfaßt wie die statischen bzw. quasi statischen Anteile, wobei in Ausgestaltung der Erfin­ dung die Möglichkeit besteht, den Wechselspannungsanteil des Meßsignals beispielsweise kapazitiv auszukoppeln und getrennt zu messen bzw. anzuzeigen.

Am Eingang jeder der Meßstrecken des erfindungsgemäßen Feld­ stärkemeßgerätes ist eine die betreffende Meßelektrode und eine zusätzliche Kapazität umfassende kapazitive Teilerschal­ tung vorgesehen. Außerdem kommen Schalteinrichtungen zum Ein­ satz, die synchron zu der Drehbewegung der Blende derart al­ ternierend betätigbar sind, daß jede der Meßelektroden, wäh­ rend sie durch die rotierende Blende vollständig gegenüber dem zu messenden Feld abgeschirmt ist, mit Bezugspotential verbindbar ist.

Bezüglich der Einzelheiten der Funktion eines kapazitiven Spannungsteilers speziell im Zusammenwirken mit integrierten Halbleiterschaltungen soll an dieser Stelle beispielsweise auf die DE-Z: Elektronik 23/1981, Seiten 101 und 102, hinge­ wiesen werden.

Ein besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, daß eine durch einen Abfluß influenzierter Ladungen über die Meßstrecken hervorgerufene Drift der Meßspannung vermieden wird, da die Meßelektroden zyklisch an Bezugsspannung gelegt werden, wobei über die Meßstrecken abgeflossene Ladungen wie­ der ergänzt werden und für den nächsten Meßzyklus ein defi­ niertes Ausgangspotential der Meßelektroden vorgegeben wird.

In Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn jede der Meßelektroden in ein Elektrodenpaar unterteilt ist, wobei die Elektroden jedes Paares einander bezüglich der Drehachse der Blende diametral gegenüberliegend angeordnet sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung noch näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Feldstärkemeßgeräts gemäß der Er­ findung.

Wie die Zeichnung zeigt, besitzt das erfindungsgemäße Feld­ stärkemeßgerät gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zwei Paare von Meßelektroden 10a, 10b und 12a, 12b. Das erste Paar von Elektroden 10a, 10b ist über Anschlußleitungen 14a, 14b mit einem gemeinsamen Schaltungspunkt 16 verbunden, der über eine Kapazität bzw. einen Kondensator 18 mit Bezugspotential verbunden ist. In entsprechender Weise sind die Elektroden 12a, 12b des anderen Elektrodenpaares über Leitungen 20a, 20b mit einem gemeinsamen Schaltungspunkt 22 verbunden, der über eine Kapazität bzw. einen Kondensator 24 mit Bezugspotential verbunden ist. Die Meßelektroden 10a, 10b, 12a, 12b sind durch schmale, isolierende Spalte s, die in der Zeichnung zur Verdeutlichung übertrieben breit dargestellt sind, voneinander getrennt bzw. gegeneinander isoliert. Auf der dem zu messenden Feld zugewandten Seite der Meßelektroden 10a, 10b, 12a, 12b ist eine zu einer Drehbewegung antreib­ bare, elektrisch leitfähige Blende 26 angeordnet, deren Drehachse durch den Mittelpunkt M der durch die Meßelek­ troden definierten Kreisscheibe hindurchgeht. Die Blende 26 besitzt zwei Sektoren, die sich beim Ausführungsbei­ spiel jeweils über einen Winkel von 120° erstrecken, während die Meßelektroden 10a, 10b, 12a, 12b sich jeweils über einen Quadranten bzw. 90° der von ihnen definierten Kreisscheibe erstrecken. Dadurch, daß die Sektoren der Blende 26 größer sind als die Meßelektroden ist gewähr­ leistet, daß jeweils ein Elektrodenpaar zeitweilig gegenüber dem zu messenden Feld vollständig abgeschirmt ist. Außerdem erkennt man, daß die Gesamtfläche der Meßelektroden, die in den durch die Sektoren der Blende nicht abgeschirmten Bereichen dem zu messenden elek­ trischen Feld ausgesetzt ist - wenn man die äußerst geringe Spaltbreite zwischen den Elektroden vernach­ lässigt -, bei rotierender Blende konstant bleibt.

Jedem der Kondensatoren 18, 24 ist jeweils ein Taster bzw. Schalter 28 bzw. 30 parallel geschaltet. Die Schalter 28, 30 werden beim Ausführungsbeispiel durch einen an der Blende 26 vorgesehenen Schaltnocken 32 derart betätigt, daß die zugeordneten Elektroden 10a, 10b bzw. 12a, 12b zyklisch und alternierend jeweils dann an Bezugspotential gelegt werden, wenn sie durch die über sie hinweglaufenden Sektoren der Blende 26 gegenüber dem zu messenden Feld vollständig abgeschirmt sind. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß bei jedem Meßzyklus, d. h. bei jeder Umdrehung der Blende 26, für den Ladungszustand der Elektroden 10a, 10b bzw. 12a, 12b jeweils ein definierter Ausgangszustand hergestellt wird, so daß über die den Elektrodenpaaren zugeordneten Meßstrecken 34, 36 abfließende Ladungen keinen nachteiligen Einfluß auf das Meßergebnis haben bzw. keine Drift der Meßergebnisse verursachen. Die genannten Meßstrecken 34, 36 sind parallele Meßstrecken, wobei die Meßstrecke 34 eingangs­ seitig an den Schaltungspunkt 16 angeschlossen ist, während die Meßstrecke 36 eingangsseitig an den Schaltungspunkt 22 angeschlossen ist, und wobei beide Meßstrecken ausgangsseitig mit dem invertierenden Ausgang eines Operationsverstärkers 38 verbunden sind. Jede der Meßstrecken 34, 36 umfaßt einen Vorverstärker 40, 42, der als Impedanzwandler dient und beim Ausführungsbeispiel durch einen rückgekoppelten Operationsverstärker gebildet ist, der einen Kathodenfolger darstellt. Zwischen den Ausgängen der Vorverstärker 40, 42 und dem zugeordneten Eingang des als Summierverstärker arbeitenden Operations­ verstärkers 38 liegt jeweils ein Widerstand 44 bzw. 46, wobei einer dieser Widerstände - beim Ausführungsbeispiel der Widerstand 44 - als Abgleichwiderstand ausgebildet ist. Der Ausgang des Summier- bzw. Operationsverstärkers 38 ist über einen konventionellen Meßbereichsumschalter 48 mit dem Eingang eines Endverstärkers 50 verbunden - beim Ausführungsbeispiel mit dem invertierenden Eingang eines rückgekoppelten Operationsverstärkers -, dessen Ausgangs­ signal über einen Widerstand, einem Meßgerät 52, zugeführt wird, welches in der Zeichnung als analoges Meßgerät angedeutet ist, aber auch ein digitales Meßgerät, ggf. mit einem Drucker, zur Ausgabe der Meßdaten sein kann.

Die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt:
Wenn der Meßkopf mit den Meßelektroden 10a, 10b und 12a, 12b und mit der rotierenden Blende 26 in das zu messende elektrische Feld eingebracht wird, dann bildet das jeweils "aktive" Elektrodenpaar, d. h. das nicht-abgeschirmte Elektrodenpaar, gewissermaßen die zweite Platte eines Kondensators, dessen erste Platte beispielsweise durch eine elektrostatisch aufgeladene Walze oder dergleichen gebildet wird. In Serie zu diesem Kondensator aus der Meßelektrode bzw. dem Meßelektrodenpaar und der Gegen­ elektrode liegt jeweils eine zweite Kapazität, d. h. der Kondensator 18 bzw. der Kondensator 24, so daß ein kapazitiver Spannungsteiler gebildet wird, dessen Abgriff der Schaltungspunkt 16 bzw. 22 darstellt, an dem die Spannung von der Höhe der durch das zu messende, elektrostatische Feld auf den Meßelektroden erzeugten Ladungsmenge sowie vom Teilerverhältnis der in Serie geschalteten Kapazitäten abhängt. Dabei wird das Teilerverhältnis der kapazitiven Spannungsteiler derart gewählt, daß sich für die Operations- bzw. Vorverstärker 40, 42 bei den zu messenden Feldstärken geeignete Eingangsspannungen ergeben. Die Operationsverstärker 40, 42 ziehen nur einen außerordentlich geringen Eingangs­ strom. Trotzdem kann der Ladungsabfluß über diese Verstärker, da er sich im Verlauf der aufeinanderfolgenden Meßzyklen akkumulieren würde, nicht vernachlässigt werden. Aus diesem Grund werden die einzelnen Elektrodenpaare nach jedem Meßzyklus über die zugeordneten Schalter 28 bzw. 30 kurzfristig an Bezugspotential gelegt, um das durch den Stromfluß in die zugeordnete Meßstrecke entstandene Ladungsdefizit auszugleichen.

Dadurch, daß erfindungsgemäß die Gesamtelektrodenfläche, welche dem zu messenden Feld ausgesetzt ist, stets konstant bleibt, bleibt auch die Summe der über die Verstärker 40, 42 an den Eingang des Summierverstärkers 38 angelegten Signale und damit letztlich das Ausgangssignal des Summierverstärkers und des Endverstärkers konstant, solange sich die Feldstärke des zu messenden Feldes nicht ändert. Außerdem kann sich die Blende mit einer sehr geringen Drehzahl drehen, da lediglich gewährleistet sein muß, daß die Elektrodenpaare mit einer solchen Frequenz an Bezugspotential gelegt werden, daß sich noch keine das Meßergebnis verfälschende Drift aufgrund der über die Meßstrecken abfließenden Ladungen ergibt. Hierdurch wird auch eine quasi-stationäre Meßspannung an den Schaltungs­ punkten 16, 22 erhalten, so daß keine Signalgleichrichtung erforderlich ist, und folglich die Polarität des zu messenden Feldes ohne besondere Vorkehrungen stets richtig angezeigt wird.

Weiterhin erkennt man, daß bei der betrachteten Schaltung eine einem zu messenden elektrostatischen Feld überlagerte Wechselspannung keinen nachteiligen Einfluß mehr auf die Genauigkeit des Meßergebnisses hat, da die Anteile der Wechselspannung bzw. des überlagerten Wechselfeldes in dem am Ausgang des Endverstärkers 50 erhaltenen Meßsignal einfach den durch das statische bzw. langsam veränderliche elektrische Feld erzeugten Signalanteilen überlagert werden und bei der Auswertung des Meßsignals gegebenen­ falls von diesen getrennt werden können, beispielsweise durch transformatorische oder kapazitive Auskopplung, so daß nicht nur ein Gesamt-Meßsignal zur Verfügung steht, sondern ein weiteres zusätzliches Meßsignal, welches Auskunft über die Höhe eines einem statischen Feld überlagerten Wechselfeldes liefert.

Bei dem vorstehend diskustierten Ausführungsbeispiel bildet jedes der Elektrodenpaare mit seinen einander diametral gegenüberliegenden Sektoren gewissermaßen eine einzige geteilte Elektrode, was den Vorteil mit sich bringt, daß bei einer schrägen Ausrichtung der Dreh- bzw. Mittelachse M des Geräts gegenüber dem zu messenden elektrischen Feld eine Kompensation hinsichtlich der unterschiedlichen Abstände der Meßelektrodenteile von der Gegenelektrode erfolgt. Im Prinzip läßt sich ein Feld­ stärkemeßgerät gemäß der Erfindung aber auch mit mehr oder weniger Elektroden realisieren, beispielsweise mit nur zwei Elektroden, die sich dann jeweils über einen Winkel von etwa 180° erstrecken könnten.

Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel umfassen die Schalteinrichtungen zum Verbinden der Meßelektroden mit Bezugspotential einen Schaltnocken 32 an der Blende 26 und davon mechanisch betätigbare Schalter 28, 30. Anstelle dieser Schalteinrichtungen können auch andere geeignete Schalteinrichtungen vorgesehen sein, beispielsweise ein Schaltnocken an der Welle der rotierenden Blende und zugeordnete, berührungslos betätigbare Näherungsschalter, beispielsweise in Form induktiver Näherungsschalter oder auch in Form von Lichtschranken, welche durch einen Nocken an der Welle - oder an der Blende selbst - betätigt werden und zugeordnete elektrooptische Schalteinrichtungen steuern.

Claims (2)

1. Feldstärkemeßgerät mit mindestens zwei Meßelektroden, die durch eine zu einer Drehbewegung antreibbare Blende zyklisch gegenüber dem zu messenden Feld abschirmbar sind, und mit mit den Meßelektroden verbundenen Meßeinrichtungen zum Messen der durch Influenz auf den Meßelektroden erzeugten Ladungsmenge als Maß für die Feldstärke des zu messenden Feldes, wobei die Meßelektroden einerseits und die Blende andererseits derart ausgebildet und angeordnet sind, daß die Summe der dem zu messenden Feld ausgesetzten, jeweils nicht abgeschirmten Flächen der Meßelektroden bei rotierender Blende konstant ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen zwei parallele hochohmige Meßstrecken (34, 36) umfassen, von denen jede zwischen einer ihr zugeordneten Meßelektrode (10a, 10b; 12a, 12b) und einem dieser Meßelektrode (10a, 10b; 12a, 12b) zugeordneten Eingang eines zwei Eingänge aufweisenden Summierverstärkers (38) vorgesehen ist, daß am Eingang jeder der Meßstrecken (34, 36) eine die betreffende Meßelektrode (10a, 10b; 12a, 12b) und eine zusätzliche Kapazität (18, 24) umfassende kapazitive Teilerschaltung vorgesehen ist und daß Schalteinrichtungen (28, 30,32) vorgesehen sind, die synchron zu der Drehbewegung der Blende (26) derart alternierend betätigbar sind, daß jede der Meßelektroden (10a, 10b, 12a, 12b)1 während sie durch die rotierende Blende (26) gegenüber dem zu messenden Feld abgeschirmt ist, mit Bezugspotential verbindbar ist.

2. Feldstärkemeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede der Meßelektroden in ein Elektrodenpaar (10a, 10b; 12a, 12b) unterteilt ist, wobei die Elektroden jedes Paares einander bezüglich der Drehachse (M) der Blende (26) diametral gegenüberliegend angeordnet sind.