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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**.
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The invention relates to a method for measuring, in particular, small DC electric fields with a field mill, in which one, preferably two, measuring electrodes (s) exposed to the DC field are (are) covered at selectable time intervals by an impeller rotating at a distance from the measuring electrode and which Measured values of the field strength that are linearly proportional to the external direct field to be measured and which are afflicted with at least one additive error component, in particular due to internal interference charges and / or voltages, caused by electrical charge on a corroded surface and / or contamination of the electrode and / or impeller and amplifier offset voltages, after amplification of an evaluation circuit and display device for the field strength are supplied.
The invention further relates to a field mill which is particularly suitable for carrying out the method according to the invention.
Field strength measurements are particularly important when there is a risk that explosions may occur as a result of electrostatic charges, e.g. B. in the chemical industry, handling explosives, refueling aircraft, etc. In meteorology, additional information about approaching thunderstorms is expected through field strength measurements. In the case of aircraft, large field strengths mean an increased risk of lightning strikes, which can be avoided by changing the flight path. A warning of excessive electrostatic fields, e.g. B. on people, can prevent destruction when handling sensitive semiconductor components.
One way to measure the electric field strength is to use field mills. Oxidation and contamination of the sensitive parts lead to an additive measurement error that fluctuates over time. This deviation is irrelevant when measuring large fields. If you want to measure small fields, this error, which can be of the order of 100 V / m, can have a disruptive effect.
The device cannot be protected with a cover, as this either shields the field to be measured or falsifies it considerably. So far, the only possible remedy was to readjust the zero point regularly. This process has to be carried out in short time intervals and is further complicated by the fact that it is difficult and expensive to provide a room with the required low field strength, since dust particles and surface charges charged inside a Faraday cage can also cause an electric field.
When measuring electrical fields with the aid of the known field mills, an additive measurement error thus occurs. Attempts to eliminate the error by using different materials (copper, silver, graphite) did not bring the improvements necessary in particular for measuring small fields.
In order to achieve contamination and deposits of independent measured values, a method of the type mentioned at the outset is characterized in that, in order to eliminate the additive error component (s) from the measured values, a first measurement of the field strength is first carried out, during which the impeller is at a first distance in front of the measuring electrode is adjusted that subsequently, preferably at the smallest possible time interval, at least one further measurement of the field strength is carried out during which the impeller is in a second or further one, from the first or
is adjusted from the previous different distance in front of the measuring electrode, the measured value (s) of the previous measurements being stored before the distance is adjusted, and that the measured values in the evaluation circuit with the aid of already determined device constants, which define the linear relationships in the form of linearly independent equations, the field strength, and / or the additive error component (s) are calculated.
A preferred embodiment of the method is characterized in that to determine the device constants in each of the defined distances, two measurements at different values of a given field strength, the difference of which is exactly known, and two measurements at different values of a given potential difference between impeller and sensor electrode, the difference between the potential differences being known exactly, and the determined device constants being entered into the evaluation circuit.
A field mill according to the invention is characterized in that the field mill has an adjusting device with which the impeller and / or the measuring electrode can be displaced relative to one another in at least two specific positions with different distances between the measuring electrode and the impeller, and that the evaluation circuit includes a computing circuit for calculating the field strength from the measured values measured at the different distances and entered device constants.
The comparison of two measurement methods of the same field, which were carried out with two different distances between the impeller and the sensor electrode, enables the signal component, which is caused by the external field to be measured, to be separated from the inside of the field mill by charged contamination or measuring amplifier offset fluctuations resulting interference component. This makes zero drift ineffective and the measurement of small fields is made much easier. The automatic correction of the zero point can take place when the field is present and there is therefore no longer interruption of the measurement. It is also important to note that no absolutely known fields are required for calibration or for determining the device constants, but only known relative field changes.
Preferred embodiments of the invention and further features according to the invention can be found in the description, the patent claims and the drawings.
1 consists in principle of an impeller (F) which is driven by a motor, not shown. A sensor (S) or a measuring electrode with a
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connected measuring device (M) (volt or A meter) alternately covered or exposed to the field.
The following explanations apply to the case of using a current measuring amplifier (39) or an ideal ammeter, which can be implemented sufficiently well with the aid of an operational amplifier with measuring resistor (R) (FIGS. 6, 14).
When using a voltmeter or when terminating with a high resistance, voltages occur at the sensor and you can no longer neglect its capacities in relation to the environment or earth. This simplification ensures particularly clear conditions for current measurement.
Fig. 2 shows the field mill in an electric field (E). The sensor electrode (S) and its leads are made of metal and are therefore field-free inside. To do this, the external field strength must be compensated for by shifting the charge. The electrical charge caused by charge shift (influence) when the sensor electrode is not covered is:
EMI2.1
EMI2.2
When the impeller (F) shields the field, the charge flows back and causes a current to flow
1 = dQ / dt (3. 2) which can be measured in the supply line of the sensor electrode. When the shield is removed, the charge (Q) flows back onto the sensor electrode, resulting in an opposite current (I) proportional to the field.
The time course of the current (I) is determined by the time function of covering or opening the sensor surface by the impeller (F): FIG. 3 shows the time course of (Q) and (I) or the covering of (A).
At an engine speed (n) [rpm] and a number (s) of segments, the frequency of the output voltage is:
EMI2.3
From (3. 1) and (3. 2) we get
EMI2.4
It follows
EMI2.5
The current is therefore proportional to the field strength (E), the sensor area (A), the motor speed (n) and the number (s) of the segments of the impeller. The current (If) is converted into a proportional direct voltage (UA) (44) by amplifiers (39, 42) and a synchronous rectifier (43) (FIG. 14).
Based on the equation (3. 6) one would expect that with field strength (E = 0) the output voltage (UA) would also have to be zero.
However, the measured curve of the output voltage (UA) as a function of (E) gives a linear offset function, as shown in FIG. 4.
You can write to this function as follows:
EMI2.6
There are two causes for the voltage (VAT), which is independent of the field strength: a) Charged dust particles or surface charges on the sensor electrode or on the impeller b) Offset voltage of the current measuring amplifier
Due to the formation of insulating oxide layers on the metal surface, the charge of a dust particle lying on the sensor surface cannot flow away.
Another possibility is that the particle itself does not conduct electricity and therefore cannot discharge its charge even with a highly conductive surface. Fig. 5 shows a dirty sensor (S), with a charged
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EMI3.1
EMI3.2
EMI3.3
By definition of a current measuring amplifier, its input voltage and thus the voltage difference between the impeller and sensor is zero volts. It follows: - The charge of (Cj) is zero; therefore no current flows through (cul) - An (C2) is the voltage (- U2). Since (C2) fluctuates periodically, a periodic charge / discharge current is created by (C2) in the circuit (C, Cg), measuring amplifier, ground. This interference current is superimposed on the measurement current generated by an external field and influence.
The size of this interference current component (IL) can be calculated and is:
EMI3.4
The same considerations apply to charges on the impeller, only the sign changes. The effect of the input offset voltage of a real operational amplifier (39) is in one in FIG. 6
EMI3.5
EMI3.6
EMI3.7
EMI3.8
EMI3.9
EMI3.10
EMI3.11
is therefore:
EMI3.12
the output voltage (see Fig. 6) results as
EMI3.13
From this it can be seen that the interference component is a function of (d). By means of a predefinable variation of (d), the useful signal component resulting from (E) can be made distinguishable from the interference signal component.
When comparing equation (3.16) with the measured relationship
EMI3.14
gives a coefficient comparison for the field sensitivity factor (g)
EMI3.15
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and for the susceptibility factor (h)
EMI4.1
the values of the device constants.
It should be noted that the field mill measures the component of the field strength in the direction of the axis of the impeller.
Furthermore, the electric field can only partially penetrate through the sectors of the impeller. This causes / also a dependence of the sensitivity to the electrical field on the distance between the sensor and the impeller, which is expressed in the following by the function k (d): k (d) <1 (3. 19)
This changes the relationship (3. 17) and results in the following values for the device constants:
EMI4.2
As mentioned, a charged particle (e.g. dust) on the surface of the sensor or the impeller at the device output causes an interference voltage. The simulated field can be 100 V / m and above and have both positive and negative signs. This deviation is irrelevant when measuring static charges with electrical field strengths of many KV / m. Often, however, (e.g.
B. in meteorology, the desire to measure smaller field strengths.
It would therefore be desirable to protect this device from dust with a cover. An electrically conductive material is unsuitable for this purpose because it completely shields the field. An insulator can carry charges on its surface, causing very high field strengths that make the measurement result unusable. So far, the disturbing influences have been compensated for by resetting the zero point at regular intervals. This method is particularly cumbersome for long-term measurements. In addition, it is hardly technically possible (except in a vacuum) to create a truly field-free space.
Equation (3. 7) states that the output voltage consists of two parts,
EMI4.3
a field-dependent and a field-independent part.
To separate these two parts, two linearly independent equations are required.
Changing the distance (d) between the impeller and the measuring electrode changes the sensitivity (g and h). (H) changes relatively more than (g), since the distance between the impeller (F) and the measuring electrode changes more than the distance between the measuring electrode and the source of the field strength (E) (Fig. 7).
With two distance values (dl and d2), this results in two equations that make the system solvable:
EMI4.4
EMI4.5
Tension at distance (d2). It is assumed that (E) and (USt) between the two measurements do not change at a distance (dl and d2):
Since the device constants (g, g, h, h) are measurable and independent of the field strength, you can solve the system of equations according to (E) and, if you have determined the device constants beforehand, you get the field strength without disturbance.
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It may be more appropriate to solve the equations according to (USt).
EMI5.1
with the device constants
EMI5.2
This last value of (USt) is stored in a memory (51 ') and used alternately in the current equation. Since the interference voltage usually changes only slowly, it can be used as a correction variable for the continuously changing input variable.
EMI5.3
EMI5.4
EMI5.5
EMI5.6
EMI5.7
the display unit (56) is supplied.
If a threshold value of (USt) is exceeded, a signal device (61) can be used to trigger a warning signal.
Fig. 8 shows an embodiment of a field mill, which is installed in an Al housing (G). The impeller (F) is arranged at a distance (d) in front of the sensor (S). The impeller (F) is driven by an electric motor (M) with a shaft (W). The adjusting device for changing the distance between the impeller (F) and the sensor plate (S) comprises a cam (15) which is adjustable by a drive (4) and adjusts the sensor (S) against the action of a leaf spring (14). Stops (1, 2) determine the end positions of the sensor (S), which can be moved on guides (12). It is also possible to adjust the impeller axially and leave the sensor (S) in position. To change the mutual distance between the sensor (S) and / or the impeller (F), any adjustment devices for the impeller and / or the sensor can be provided.
With (P) circuit boards for the evaluation circuit and control of the function are designated.
The sensor (S) is etched from a copper-coated insulating plate on both sides and carries two electrodes offset by 45 degrees (Ep E). Compared to a simple electrode, this has the advantage that the effective area is doubled, that when the output voltages are subtracted, disturbances that arrive in common mode fall out and that the upper limit frequency of the arrangement doubles for a given speed and number of blades. The electrodes (E, E) are identical in their areas covered by the openings (F ') of the impeller (F) (Fig. 10).
The sum of the electrode areas of the two electrodes covered or released by the impeller is therefore constant. The impeller (F) shown in FIG. 10 is produced from a 0.4 mm thick copper foil according to a CAD template using the spray etching process. This achieves both a low moment of inertia and a very small imbalance of the disc, which is necessary in view of the high speeds (approx. 3000 - 5000 rpm).
11 has a DC geared motor (4) with an ironless armature with an electromechanical time constant of 20 ms. This moves the sensor plate (S) with the electrodes (E, E) via the leaf spring (14 ') to the front via an eccentric plate or the cam (15), which can be pivoted about the axis (3). The leaf spring (14) presses in the opposite direction. In the end positions, microswitches (11) short-circuit the motor (4) in order to stop the motor running quickly.
With a gear with a reduction of z. B. 74: 1 switching times of less than 100 ms are achieved,
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and therefore only brief interruptions in the measuring process.
The bracket for the motor (M) (Fig. 12) and the power transmission to the impeller (F) was made from turned parts in order to achieve minimal imbalance with rotating parts or as precise an alignment as possible with stationary parts. The impeller (F) is galvanically isolated from the motor (M) by the insulating parts (22, 23, 25) in order, among other things, to be able to apply the calibration voltage (UK) (Fig. 14).
The electrical connection of the rotating parts, in particular of the impeller (F), to the reference potential or a voltage source (UK) (FIG. 14) takes place via brushes (27). The motor (M) is arranged in a bearing housing (16) and connected to the shaft (W) of the impeller (F) with an insulating coupling (22) and a piece of hose (23).
The impeller (F) is attached to the shaft (W) with a clutch (17), which in turn is mounted in an insulating body (25) of the bearing housing (16) in a self-lubricating, electrically conductive bearing (26) which is supported by a spring ( 24) is acted upon (FIG. 12) in order to connect the impeller to the reference potential or the voltage source in this way as well.
3 shows a basic circuit of the field mill according to the invention. The measured values of the electrodes (Ep E2) are fed to a preamplifier (5) which is followed by a current measuring amplifier (39) with a measuring range switch. The output signals of the amplifier (6) are fed via a synchronous rectifier or phase-sensitive rectifier (43) to a computing circuit (51) to which a display device (56) is connected. Control signals of a light barrier (11), which also controls a speed control device (13) for the motor (M), are fed to the synchronous rectifier (43). The arithmetic circuit (51) is supplied with signals from a timer or clock generator (57) which controls the adjustment times of the adjustment device (4) for changing the distance between the electrodes and the impeller.
14 shows a circuit example of a field mill according to the invention. The impeller (F), which is arranged at a variable distance (d) in front of the sensor board (S), is driven on its shaft (W) by the motor (M); the shaft is grounded with the grinding brush (27) during the measurement; an interrupter plate (37) rotates in synchronism with the impeller (F) and interrupts a reflection light barrier (11). The signals of the electrodes (E, E) which are acted upon by an electric field (32) generated by an indicated field source connected to a voltage source (31) and which is set up outside the field mill, are a summing amplifier via current measuring amplifiers (39) (40) or a differential amplifier (42).
The differential amplifier (42) is followed by a phase-sensitive rectifier (43), to which the signals from the light barrier (11) are fed and at whose output (44) voltage values (U or UA2) are present, depending on the distance given by the adjusting device (4) (d) between the impeller (F) and electrodes (E, E). The voltage values (U and U) are proportional to the current flow of the sensor. At the output (41) of the summing amplifier is the dynamic current measurement signal (im) which is required by the computing circuit (51) in order to be able to take into account changes in the value of (E) during the change in (d).
The sensor consists of two electrodes offset by 450, (EI'E2) (Fig. 9). When the field mill is operated with the impeller according to FIG. 10, two signals are consequently shifted by 1800. Common mode signals are suppressed when forming the difference. The current measuring amplifier (39) prevents changes in the potential of the sensor and therefore also a recharging of its capacity compared to the device mass.
In order to keep interference-sensitive lines as short as possible, a small print with the amplifiers (39) is soldered directly onto the sensor board.
The use of a synchronous or phase-sensitive rectifier (42) offers the possibility of polarity detection of the electric field, it also acts as a narrow-band filter that only takes into account the synchronous frequency and its odd harmonics; it can be operated in a frequency range in which the Vf noise (sparkle effect) is already close to its minimum value.
The voltage values (U and U) are each fed to a memory (47) or (48), each of which is followed by an analog-digital converter (49, 50), the output signals of which are sent to a microprocessor or a computing circuit (51) with a computing program are supplied to determine the field strength and / or interference voltage. The arithmetic circuit (51) is also supplied with the dynamic current measurement signals (im) present at the output (41) via an analog-digital converter (57). The calculated field strength values are fed via a signal path interrupter (52) via a final value memory (53) and a digital analog converter (54) to a signal output (55) to which a display device (56) for the field strength (E) is connected .
(57) denotes a free-running clock generator, with which the adjustment device (4) is switched over at predetermined times, the arithmetic circuit (51) is correspondingly reversed and the measurement value is passed on accordingly.
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The free-running clock generator (57) periodically generates the following control signals which are supplied to the circuit units according to FIG. 14. The following control steps take place in the individual cycles (T, T ...): T 1 - storage of the last value of (Ui) in the memory (48) and opening of switch (52) T 2 - changeover of the adjusting device (4) to the larger distance (d2) T 3 - measurement and storage of the first value of (UA2) in the memory (47) T 4 - calculation of (E) T 5 - switching through (E) to the signal output (55) T 6 - waiting time ( freely selectable) T 7 - measurement and storage of the last value of (UA2) in the memory (47) and opening of switch (52) T 8 switchover to the smaller distance (dl) T 9 - storage of the following value of (U} ) in memory (48)
T10 10-like T4 TU-like T 5 T 12-like T6 Then follow Tl, T2 ...
During the time periods (T 2, T 3, T 4 and T 8, T 9, T 10), the last measured value is switched through from (E) to output (55). This procedure presupposes that the field to be measured and the interference voltage typically remain unchanged for a few milliseconds during the periods mentioned.
If this requirement is not met, the values of (U or U) can be corrected for field fluctuations. The measurement signal required for this can be obtained by using several (at least two) measurement electrodes which are shaped in such a way that their total area is the same in every position of the impeller. The change in the sum of the currents of both electrodes is then proportional to the change in the field strength. If such electrodes are present, the current change or the current measurement signal (im) present at the output (41) is used as the measured value. If such electrodes are not available, the current flowing due to the field change at the base of the impeller can be used.
The static part of this total flow (im) can also be used to measure any air ion flows.
To calibrate the field mill according to the invention, the correct phase position of the synchronous rectifier (43) is set and the relationships already known are used:
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The device constants (g or h) can be calculated by measuring the change in output voltage for defined field changes or changes in calibration voltages (UK or UK) on the impeller (F) or on the preamplifier (39):
EMI7.2
To determine the field sensitivity factors (gj and g2), the procedure is such that two measurements of approximately predetermined field strengths are carried out at each distance between the impeller and electrodes (a total of 4 measurements), only the difference between the field strengths (E) having to be known exactly and e.g. B. one of the predetermined field strengths can also have the nominal value 0.
To determine the interference sensitivity factors (hl and h2), measurements are carried out at both intervals in which two different potential differences are formed between the impeller and the electrode (s), only the difference between the two potentials (AUK) being known exactly must and a potential can also have a nominal value of zero. A voltage source (UK) can be connected to the earth line of the shaft of the impeller to form the potential difference. Another way of forming a potential difference between the impeller and the electrode is to insert a potential into the reference point of the current measuring amplifier (39) by applying a voltage (UK ') to the potential of the impeller at this point (Fig. 14).
As soon as these constants are known, you can enter their values in the arithmetic circuit (51) or
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save or adjust potentiometer of the arithmetic circuit accordingly.
A calibration procedure that is normally only required after the device has been manufactured is explained in more detail below using an example. When measuring the output voltages in both sensor positions, the following relationships resulted;
EMI8.1
<tb>
<tb> External <SEP> specifications <SEP> sensor position
<tb> Near <SEP> Far <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> This is followed by <SEP>
<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> (2nd <SEP> 8. <SEP> 2nd <SEP> 26) <SEP> VI227 <SEP> mV <SEP> = <SEP> 2nd <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>
which device constants in the arithmetic circuit (51) z. B. are entered in their program memory, whereupon the field mill is operational.
It is possible to provide a display (60) for the interference voltage (VAT) on the device, which provides an indication of the degree of contamination of the electrode or impeller, or to activate a warning signal if the interference voltage is too high (contamination).
To determine more than one interference component, measurements must be carried out in more than two positions in order to obtain the number of linearly independent equations corresponding to the number of interference components. At the same time, a correspondingly larger number of calibration measurements is required. It should be noted that there are other possibilities of changing the distance for the measurement and calibration; in principle, all changes in the geometry of the impeller-electrode arrangement influencing the measured voltage and error component can be used, e.g. B. tilting the electrode or moving it sideways.
A rope shift between the electrode (s) and the impeller is essentially equivalent to the distance change described so far and, as can be seen from equation 3. 16, also leads to a separability of the signal and interference components due to changing values of (d) effective (effective distance).
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