Faden-, Blatt- oder Schlingenelektrometer Für praktisch stromlose Spannungsmessungen wer den zur Zeit ausser Rährenvdltmetern verwendet: Qua- drantenel'ektrometer, Nadelelektrometer, statische Volt meter nach dem Prinzip Stromwaage, Ein- und Zwei= fadenelektrometer, Blättcheneilektrometer und Sc'hl'in- genelektrometer.
Quadrantene'lektrometer besitzen gegenüber den an deren Konstruktionen eine ver'häl'tnismässig grosse Kapa zität. Dadurch ist die Frequenz der zu messenden Span nung nach oben hin stark eingeschränkt, bis zu der man noch von einer statischen Messung sprechen kann. Ausserdem haben Quadrantenelektrometer eine grosse Einstellzeit undLageabhängigkeit, wodurch sie für viele Anwendungszwecke ungeeignet sind.
Der zuletzt genannte Nachteil gilt auch für Nadel- elektromete:r. Statische Voltmeter nach dem Prinzip der Stromwaage sind verhältnismässig unempfindlich und werden daher fast ausschl'iessl'ich als Hochspannungs voltmeter gebaut.
Demgegenüber erscheinen die Einfaden- und Zwei- fadenelektrome'ter sowie die Bfattelektrometex und die Schlingene#le'ktrometer robust, schnell und empfindlich genug, um als Laborinstrument Eingang zu finden, wenn, es gelingt, einen allen genannten Instrumentenarten ge meinsamen Nachteil zu beseitigen.
Dieser Nachteil be steht in der ausgeprägten quadratischen Abhängigkeit des Elektrometerausschla-ges von der anfliegenden Span nung im Anfangsteil des Messbereiches, wenn die In strumente in idiostatiseher Sch@aftung benutzt werden.
In heterostatischer Sc'hal'tung zeigen die Faden-, B'laft- und Schl'ingenelektrometer bei gleicher Empfindlichkeits charakteristik wie die oben genannten Systeme deren aufgezählte Nachteile nicht. Die quadratische Empfind lichkeitscharakteristik in idiostatischer Schalung liegt in der Natur der Sache.
Die Kraft auf den beweglichen Teil des Elektrometers ist in idiostat'ischer Schaltung in allen Fällen gegeben durch:
EMI0001.0066
worin U die anliegende Spannung, a der E'lektrometerausschlag und C die Kapazität der beweefichen Elektrode gegenüber dem System ist.
Für
EMI0001.0073
ist die Kraft P und' bei linearer Abhängig keit der Rückstellkraft vom Ausschlag auch die Aus lenkung proportional dem Quadrat der anliegenden Spannung. Eine Änderung der Empfindlichkeit kann also, abgesehen vom Verlauf der Rückstel'lkraft, nur durch einen geeigneten Verlauf der Funktion f
EMI0001.0082
erreicht werden.
Für einen gewissen Bereich, für den der Ausschlag klein gegenüber den anderen Dimensio nen ist, kann man zwar stets
EMI0001.0086
als konstant ansehen; wen es jedoch durch eine geeignete Wahl der Geo metrie gelingt, diesen quadratischen Anfangsbereich klein gegenüber dem Messbereich: zu machen, dann kann ein söl'Ches Instrument einen z.
B. praktisch. innerhalb der Mess'fehler linearen oder lbgarithmischen Empfind lie'hkeitsverlauf mit einer ausreichenden Genauigkeit be sitzen.
Für verschiedene Elektrometertypen sind Massnah men zur Linearisierung der Empfindlichkeitscharakte- ristik bekannt. Eine praktische Bedeutung aber haben diese bisher l'inearigierten Systeme nicht erlangen kön nen, da sie nach wie vor die weiteren oben genannten Nachteile aufweisen.
Palm beschreibt 1934 ein fast lineares Nadeilelektro- meter für 160 V VeelTausschlag und 7 pF Eigenkapazität. Von E. Wilkinson Wird 1931 ein linearisiertes Hochspannungsvoltmeter angegeben, bei dem die Cou- lombschen Kräfte zwischen zwei beweglichen und vier festen Kugeln die Auslenkung verursachen.
E. Bekefy linearisiert das Brownsche Nadedelektro- meter durch Einführung einer zusätzlichen Nadel.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Faden-, Blatt- oder Schlingenelektrometer in idiostati- scher Schaltung anzugeben, das etwa einen oben erläu terten wünschenswerten Empfindlichkeitsverlauf auf weist.
Ein solches Elektrometer besteht aus einem an einer Innenelektrode befestigten elektrisch leitenden Ein zel- oder Doppelfaden, einem dünnen Blättchen oder einer Fadenschlinge und einer dieses Gebilde umgeben den Aussenelektrode.
Gemäss der Erfindung sind mit der Aussenelektrode elektrisch leitende Zusatzelektroden aus Drähten oder Blechen verbunden, die bis dicht an die durch den un geladenen Zustand gegebene Nullstellung des Fadens, Blättchens oder der Fadenschlinge heranreichen und dem Faden, Blättchen oder der Fadenschlinge bei einer Auslenkung freien Durchtritt gewähren,
so dass durch diese Anordnung die elektrische Feldstärke pro La dungseinheit in der Nähe der Nullstelilung wesentlich erhöht ist.
Es empfiehlt sich ferner, weitere Zusatzeäektrod'en anzubringen, die mit der Innenelektrode leitend verbun den sind und das bewegliche Element gegen die Aussen elektrode abschirmen, wodurch sie in Kombination mit den Zusatzelektroden der Aussenelektrode den Verlauf der elektrischen Feldstärke pro Ladungseinheit längs des Auslenkungsweges des Fadens, Bl'ättc'hens oder .der Fadenschlinge so beeinflussen, dass eine bestimmte Cha rakteristik des Elektrometers erreicht wird.
Das Wesen der Erfindung soll im folgenden. anhand' der Zeichnungen an dem vielfach verwendeten Schlim- genelektrometer beispielsweise erl'äuter't werden.
Es Wird jedoch darauf hingewiesen, dass die angegebenen Vor- schläge zur Veränderung der Empfindlichkeistcharak- teristik sinngemäss auch für die Ein- und ZweifadeneIek- trometer sowie für die Biattelektrometer gelten.
Anhand der Fig. la und 1b wird zunächst das Prin zip eines an sich bekannten Schhngenelektrometers er- läutert. Ein die Innenelektrode bildender U-förmig ge bogener Metallbügel 1 ist mit einem parallel zum Metall,- bügelliegenden,
oberflächlich leitend gemachten Quarz faden 2 galvanisch und mechanisch an den Fusspunkten 3 der gebildeten Schleife verbunden. Der Metallbügel und der Quarzfaden werden von einer Aussenelektrode 4 umschlossen. Die meist als Zylinder ausgeführte Aussen elektrode ist nach oben von dem Deckel:
5 abgeschlos sen, der eine öffnung 6 zur Beobachtung des. Faden- scheitels aufweist. Nach unten wird die Aussenelektrode von dem Boden 7 abgeschlossen,
der den Isolator 8 gegen die FadensChl'inge elektrisch abschirmt. Der Metallbügel ist im Isolator mechanisch befestigt und ragt durch eine Ausnehmung des Bodens hindurch. Wird zwischen Metallbügel und Quarzfaden und der Aussen elektrode eine elektrische Spannung angelegt,
dann spreizt sich die Fadenschlinge vom Metallbügel ab. Die Auslenkung des Schlingenscheitels dient als Mass für die angelegte Spannung. Die übliche Elekirometeranordnung nach Fig. 1 weist die in Fig. 2 :gezeigte Abhängigkeit A von der anliegenden Spannung auf. Dieser Verlauf ist durch das grosse quadratische Anfangsgebiet charakteri siert.
Für sehr viele Anwendungszwecke ist eine quadra tische Abhängigkeit zwischen Messgrösse und Messwert- anze@ige unerwünscht, da die geringe Anfangsempfind- lichkeit das Ablesen kleiner Messwerte sehr erschwert bzw. unmöglich macht.
Das zeigt die aus dem Verlauf A resultierende Skalenteilung a. Eine für den Gebrauch praktische Skalenteilung (z. B. linear oder logarithmisch) 1ä t sich bei genügender Gesamtempfindlichkeit nur erreichen, wenn es gelingt, die Anfangsempfindlichkeit zu erhöhen.
Hierzu dienen die in Fig. 3a und 3b gezeigten Zusatzelektroden 9 und 10, die mit der Aussenelektrode galvanisch verbunden sind.
Wie Fig. 3 zeigt, sind die Zusatzelektroden dem Fadenscheitel 11 in Nullstellung stark genähert, und die elektrische Feldstärke ist beim Anlegen einer Spannung an dieser Stehle sehr hoch,
wodurch der Fadenscheitel eine relativ grosse Auslenkung erfährt. Untersuchungen haben ergeben, dass die A.nfangsauslenkung am grössten ist, wenn die Fadenschlinge in Nullstellung mit den Vor derkanten der Zusatzelektroden etwa ih. einer Ebene liegt (siehe Fig. 3).
Durch die Zusatzelektroden wirken auch elektrostatische Kräfte senkrecht zur Auslenkungs- richtung, die bei einer mangelhaften Symmetrierung des Systems zu einer Deformation der Fadenschlinge und in ungün'sti'gen Fällen zu einem Kurzsc'hluss zwischen Fa den und einer der Zusatzelektroden führen können.
Da- her ist es wichtig, die nicht in Auslenkungsrichtung wir kenden Kräfte dem Betrage nach klein zu machen und möglichst gegenseitig zu kompensieren. Es werden daher sowohl innerhalb als auch.
ausserhalb der Fadenschlinge je eine Zusatzelektrode angebracht, die nur in der Seheiteigegehd der Fadenschlinge stark genähert sind. Mit der in Fig. 3a und 3b massstäbl'ich dargestellten An ordnung der Zusatzelektroden 9 und 10 wurde eine 15fache Er'hö'hung der Anfangsempfindlichkeit gemes sen.
Eine Erweiterung des Messbereiches bei gleicher pro- zentualer Ablesegenauigkeit im ganzen Messbereioh. bie tet eine logarithmische Skalenteilung. Eine annähernd logarithmische Abhängigkeit der Scheitelauslenkung von der anliegenden Spannung wurde mit der
Anordnung nach Fig. 3a und 3b erreicht. Die Zusatzelektroden 9 und 10 ergeben die aus Fig. 4, Kurve B, ersichtliche er höhte Anfangsempfindlichkeit, verglichen mit der Origi nalcharakteristik C.
Die notwendige Verringerung der Empfindlichkeit im mittleren und oberen Teil des Mess- bereiches wird durch die in Fig. 3a und 3b gezeigte Auf- teifung des Bodens der Aussenelektrode in einen inneren konzentrischen Teil 12 und einem verbleibenden äusseren Ring dies Bodens erreicht.
Teil 12 ist mit dem Metall bügel 13 galvanisch verbunden, während der äussere ver b'l'eibende ringförmige Teil des Bodens mit der Aussen elektrode verbunden bleibt. Durch die Wahl des Radius von Teil 12 wird bei gegebenem Radius der Gegenelek trode die Empfindlichkeit im mittleren und oberen Teil des Mess'bereiches bestimmt.
Durch die Erweiterung des Messbereiches treten relativ grosse elektrostatische Kräfte senkrecht zur Aus- lenkungsrichtung auf, die nicht durch die oben beschrie benen Massnahmen aufgefangen werden können und die Fadenschlinge in ein labiles Gleichgewicht bringen wür den. Ein weiterer Teil der Erfindung sind daher die sog.
Abschirmstifte 14, die parallel,' zu den Zusatzelektroden 9 und 10 angeordnet sind. Die Abschirmstifte sind gal- vanisch mit dem Bodenteil 12 verbunden und schirmen einen grossen Teil der Fadenschlinge gegen die untere Zusaitzelektrod'e 9 ab.
Mit der in Fig.3a und 3b ge- zeigten Anordnung wurde der in Fig. 4 gezeigte Verlauf B gemessen. Die sich dafür ergebende Skalenteilung b wurde eingezeichnet. Die aus Fig. 3 a ersichtlichen Schlitze 15 und 16 in den Zusatzelektroden 9 und 10 .dienen der Beobachtung bzw.
Projektion des Faden- sche'itels. Durch eine weitere Ausbildung der Erfindung ist eine Elektrodenanordnung zur Erzielung einer nahezu linearen Empfindlichkeitscharakteristik mögl'ic'h. Dazu ist es notwendig, den in Fig. 5a und 5b gezeigten Deckel 17 der Aussenelektrode 18 so weit anzusenken, dass er sich, wie in der Figur gezeigt,
dicht oberhalb der Unter kante des oberen Zusatzelektrode 19 befindet. Dadurch wird die Empfindlichkeit im mittleeren Teil des Mess- bereic'h.es angehoben,
und man erhält bei richtiger Di- mensionierung eine gute Annäherung an einen linearen Verlauf im unteren und mittleren Teil des Messberei- ches. Ein Empfind'Iichkeitsab'fafl rin oberen Teil des Messbereiches wird dadurch vermieden,
dass man einen der Faden'sdhlinge gegenüberliegenden Teil 20 des Bo dens zur Aussenelektrode schräg anordnet, so dass er mit dem Metallbügel 21 einen Winkel kleiner als 90 einschliesst. Mit der in Fig. 5a und 5b gezeigten Anord nung wurde der in Fig. 2 gezeigte, fast lineare Verlauf D gemessen.
Zum Vergleich dient der Originalverlauf A eines Elektrometers mit üblicher Anordnung. Parallel zur Abszisse wurde die sich aus D ergebende Skalen- teilung d eingezeichnet.
Die oben beschriebenen Zusatzelektroden zur Er- höhung der Anfangsempfindlichkeit sind dann beson ders wirkungsvoll, wenn auch der Abstand zwischen Bügel und Fadenschlinge in der Scheitelgegend beson ders klein ist. Bei einer Verkleinerung dieses Abstandes wächst die Gefahr, dass die Fadenschlinge bei einer Aus lenkunrg in Richtung des Bügels, z.
B. durch Massen kräfte, diesen berührt und an ihm kleben bleibt. Zurr Be seitigung dieser Schwierigkeiten ist es daher vorteilhaft, den Bügel mit einem zur Fadenschlinge parallel verlau- fend'en Schikitz zu versehen, durch den die Fadenschlinge bei einer Auslenkung in Richtung Bügel frei hindurch- treten kann.
Fig. 6 zeigt in Front- und Seitenansicht dazu ein Ausführungsbeispiel. Der Bügel ist hier aus den drei Teilen 22, 23 und 24 zusammengesetzt. Teil 22 ist das äussere, z.
B. aus einem Blechstreifen geformte Bü gelteil, Teil 24 ist das innere, ebenso geformte Bügelte%l, während am Teil 23, das nur bis zur Höhe der Befestigungssteile der Fadenschlinge reicht und für den nötigen Abstand zwischen Teil 22 und Teil 24 sorgt, die Fadenschlinge 25 befestigt ist.
Eine andere Ausführungsform zur Beseitigung der Schwierigkeit, d'ass die Fad'enschfimge unter der Einwir kung von Massenkräften den Bügel berührt und an ihm kleben bleibt, besteht =darin, dass der Bügel eine oder mehrere Er'hö'hungen aufweist, gegen die sich die Faden schlinge beim Auftreten solcher Massenkräfte legen kann.
Erfahrungsgemäss .genügen nämlich bereits die Adhäsionskräfte zwischen den beiden Teilen, um die Fadenschlinge festzuhalten und damit das System un brauchbar zu machen. Dieser Effekt ist um so ausge prägter, je grösser die Fläche ist, in der sich die beiden Teile berühren.
Die angegebene Lösung berücksie'htigt, dass die mög liche Berührungsfläche extrem klein bleibt.
Für diese Ausführungsform ist ein Beispiel in Fig. 7 in einer Aufsichts- und .einer Ansichlsdarstekung wieder gegeben. Die in Fig. 7 dargestellte Wulst 38 ist an dem Bügel 39, und zwar an seinem Scheitel oder in dessen Nähe angebracht. Gegen diese Wulst 38 kann sich die Fadenschinge 40 unter dem Einfluss von Massenkräften anlegen.
Untersuchungen haben gezeigt, dass bei diesem Auf bau eines Sc'hl'ingenelektrometers bereits die beim nor malen Gebrauch dieses Instruments auftretenden Er- schutterungen ausreichen, um das Lösen der Faden- schlinge 40 von dem Bügel 39 zu bewirken.
Entsprechend der Darstellung nach Fig. 7 kann die Wulst 38 aus einem um den Bügel: 39 herumgelegten Drahrtring bestehen; sie kann aber auch durch eihen Stauühvorgan'g aus dem Material, des Bügels 39 selbst erzeugt sein.
Es ist lediglich erforderlich; d'ass sich diese Wulist 38 auf der der Fadenschllinige 40 zugewandten Seite befindet.
Einige Anwendungsfälle machen es erforderlich, das Elbktrometersys'tem im Vakuum zu installieren. Das Fehlen der Luftdämpfung kann zu einer nur sehwach ge dämpften mechanischen Schwingung der Fadenschlinge im ungeladenen Zustand führen.
Es ist daher vorteilhaft, durch ein permanentes magnetisches. Feld, das möglichst senkrecht zur Auslenkungsrichtung ausgerichtet ist, eine elektromagnetische, Dämpfung der Fadenschlinge zu er zielen.
Die bei einer Bewegung im magnetischen Fehl in der Fadenschlinge induzierten und über den Bügel filiiessenden Ströme ergeben zusammen mit dem Magnet- feld ein bremsendes Moment.
Da die Neigung zum Schwingen im Vakuum praktisch nur im ungeladenen Zustand auftritt (im geladenen Zustand sorgt der mit der mechanischen Schwingung zwaneäufig verbundene Ladungstransport dafür,
dass sich. die hineingestreckte mechanische- Schwingungsenergie am Fadenwiderstand in Wärme umsetzt), ist es vorteilhaft, z.
B. .die ohnehin vorhandenen Zusatzelektroden 9 und 10 so aufzu- margnetisieren, dass zwischen der äusseren und der inhe- ren RTI ID="0003.0230" WI="24" HE="4" LX="1175" LY="1299"> Zusatzelektrode ein magnetisches Feld entsteht, das 'm der Gegend des Schlingenscheitefls die grösste Induk- tion aufweist.
Bei Messungen dies Effektivweetes von Wechsel- spannungen, deren Frequenz in der Nähe der mechani- schen Eigenfrequenz der Fadenschrlinge liegt, ist die Luftdämpfung nicht ausreichend.
In diesem Fall kann der Frequenzbereich durch die elektromagnetische Dämpfung nach unten erweitert werden. Ein weiterer Gegenstand ist es daher, das magnetische Dämpfungs- feld über den ganzen Auslenkungsbereich der Faden schlinge zu erstrecken.
Zur Vergrösserung des Messbereiches ist es beim Vorhandensein des magne'tisc'hen Feldes nur noch not wendig, über die Fadenschlinge einen elektrischen Strom zu schicken, der bei entsprechender Poljung eine Rückstellkraft erzeugt, die sich)
zu der elastischen Rückstellkraft addiert. Es kann die elektrische Verbin- dung zwischen Fadenschlinge und Bügel an einem der Schfingenfusspunkte lösbar gemacht werden, so dass Faden und Bügel elektrisch eine Reihenschaltung bilden.
Ebenso wie ein rückstellendes Moment fässt sieh durch Umkehr der Stromrichtung ein auslenkendes Moment erzielen, wodurch eine Strommessung möglich wird.
Bei niedrigen Anforderungen an die Isolation bzw. an den Verlustwink & kann auch eine isolierende Flüs sigkeit als d'a's die Fadenschlihge umgebende Medium zur Erhöhung der Dämpfung genommen werden.
Die erhöhte Durchschfagsfcstigkeit, die eine isolie- r@ende Flüssi'gke'it gegenüber Luft besitzt, kann auch durch eine Füllung des Elekirometergehäuses mit einem besonders durchschlagsfesten Gas, vorzugsweise SFE, er reicht werden.
Aus praktischen Gründen kann die AwssenelTektrode und die mit ihr verbundenen Zusatzelektroden als ein Bauteil hergestal.t werden.
Gleiches gilt für die Innen- elerkrtrode und die mit 'ihr verbundenen Zusaftzelektrodren. Die Verwendung von Elektrometern, in; heterostati- scher Schaltung bringt für alle Systeme den Vorteil er höhter Empfindlichkeit, der allerdings mit dem Auf wand einer zusätzlichen Hilfsspannung erkauft werden russ.
Es kann daher vorteilhaft sein, die primär für Ge brauch in idiostatischer Schaltung ausgebildeten Aus führungsbeispiele auch in heterostatischer Schaltung be nutzen zu können. Dafür ist es notwendig, die eIektri- schen Verbindungen der Zusatzelektroden mit der Aussen- bzw. Innenelektrode lösbar zu machen und ihre Anschlüsse isoliert nach aussen zu führen.
Ebenso russ dafür die elektrische Verbindung zwischen der Innen elektrode und dem beweglichen Element lösbar sein, und ihre Anschlüsse müssen zugänglich sein.
Durch diese Massnahmen wird die in Fig. 8 .am Bei spiel des Sdhlingenelektrometers gezeigte Schaltung er möglicht. In der Stellung I des Umschalters 26 ist die Innenelektrode 27 leitend mit dem beweglichen Ele ment 28 verbunden.
Bei dieser Anordnung erfüllen die Zusatzelektroden 29 und 30 sowie die Aussenelektrode 31 die bereits oben beschriebenen Funktionen, d. h. das Elektrometersystem misst in. idiostatischer Schaltung (die Elemente 29, 30 und 31 sind verhältnismässig niederoh- mig über das Pdtentiometer 32 miteinander verbunden) mit einer quasi-linearen bzw.
quasi logarithmischen Cha rakteristik die an den Klemmen 33 und 34 liegende Span nung Um. Ist Um so gering, d'ass sich in dieser Schaltung kein ablesbarer Ausschlag ergibt, dann besteht nach Um legen des Schalters 26 in Stellung 1I die Möglichkeit,
durch Anlegen einer Hilfsspannung UH an die Klemmen 35 und 36 die Empfindlichkeit wesentlich zu steigern. Die zu messende Spannung ULI besteht nun nur zwischen dem beweglichen Element 28 und dem Potentiometer- abgriff 37, mit dem auch die Zusatzelektrode 29 ver bunden ist.
Dieser ist so .eingestellt, dass das Potential an ihm genau dem Potential :entspricht, das am Ort des Schlingenscheitels bei Nullstellung vom Hilfsfeld erzeugt wird,
das heisst für Um - 0 wirken im Idealfall keine elektrostatischen Kräfte auf die Fadenschlinge. Dieser Idealzustand ist aber im Fallre des Schliagenelek- trometers schwer zu realisieren, da dem Orte der Faden schlinge in Nullstellung eine Äquipotentllalll"uie entspre chen müsste,
was sicher .nur annähernd eirfülllt sein kann.
Es ist daher vorteilhaft, die sich in der Nähe der Nullstellung der Fadenschlinge befindlichen Zusatzelek- troden 29 zur Stabilisierung der Nullstellung zu be nutzen. Diese erzwingen in der Scheitelgegend das der Nullstellung entsprechende Potential, da sie mit dem Abgriff 37 verbunden sind.
Mit wachsender Spannung Um wird der Schlingenscheite)l- in Richtung auf die Aussenelektrode absgelenkt.
Weiterhin können zur Erhöhung der Nullpunkt- stabilität die in idiostatischer Schaltung mit der Innen- elektrode verbundenen weiteren Zusatzelektroden 30 be nützt werden.
Durch eine Verbindung dieser Zusatzelek- troden mit einem weiteren Abgriff 38 des Potentiometers kann die Form des Hilfsfeldes an den Stellen der Fäden- schlinge, die nicht im Wirkungsbereich der Zusatzelek troden 29 liegen, so verändert werden,
dass an diesen Stellen etwa das gleiche Potential! wie am 1 vorherrscht.
Thread, leaf or loop electrometers For practically currentless voltage measurements, apart from tube meters, the following are currently used: quadrant electrometers, needle electrometers, static voltmeters based on the current balance principle, one and two-thread electrometers, sheet particle electrometers and gene electrometer.
Quadrant electrometers have a relatively large capacity compared to the other constructions. As a result, the frequency of the voltage to be measured is severely limited up to which one can still speak of a static measurement. In addition, quadrant electrometers have a long response time and position dependency, which makes them unsuitable for many applications.
The last-mentioned disadvantage also applies to needle electrometers: r. Static voltmeters based on the current balance principle are relatively insensitive and are therefore almost exclusively built as high-voltage voltmeters.
In contrast, the single-filament and two-filament electrometers as well as the Bfattelektrometex and the looping electrometers appear robust, fast and sensitive enough to be used as laboratory instruments if a disadvantage common to all of the above-mentioned types of instruments can be eliminated.
This disadvantage is the pronounced quadratic dependence of the electrometer deflection on the applied voltage in the initial part of the measuring range when the instruments are used in idiostatic fashion.
In a heterostatic setting, the thread, loop and loop electrometers do not show the disadvantages listed above with the same sensitivity characteristics as the systems mentioned above. The quadratic sensitivity characteristic in idiostatic formwork is in the nature of things.
The force on the moving part of the electrometer is given in idiostatic circuit in all cases by:
EMI0001.0066
where U is the applied voltage, a is the electrometer deflection and C is the capacitance of the flexible electrode in relation to the system.
For
EMI0001.0073
If the force P and 'is linear as a function of the restoring force on the deflection, the deflection is proportional to the square of the applied voltage. A change in the sensitivity, apart from the course of the restoring force, can only be achieved by a suitable course of the function f
EMI0001.0082
can be achieved.
For a certain area, for which the deflection is small compared to the other dimensions, you can always
EMI0001.0086
see as constant; However, if a suitable choice of geometry succeeds in making this square starting area small compared to the measuring range, then a Söl'Ches instrument can e.g.
B. practical. within the measurement error linear or lbgarithmic sensitivity curve with sufficient accuracy.
Measures for linearizing the sensitivity characteristics are known for various types of electrometers. However, these previously linearized systems have not been able to acquire any practical significance, since they still have the other disadvantages mentioned above.
In 1934 Palm describes an almost linear needle-wire electrometer for 160 V VeelT deflection and 7 pF self-capacitance. In 1931 E. Wilkinson specified a linearized high-voltage voltmeter in which the Coulomb forces between two movable and four fixed balls cause the deflection.
E. Bekefy linearizes the Brownian needle electrometer by introducing an additional needle.
The invention is based on the object of specifying a thread, blade or loop electrometer in an idiostatic circuit that has, for example, a desirable sensitivity curve as explained above.
Such an electrometer consists of an electrically conductive single or double thread attached to an inner electrode, a thin leaf or a loop of thread and one of these structures surround the outer electrode.
According to the invention, electrically conductive additional electrodes made of wires or metal sheets are connected to the outer electrode, which extend right up to the zero position of the thread, leaf or thread loop given by the uncharged state and allow the thread, leaf or thread loop to pass freely in the event of a deflection ,
so that the electric field strength per charge unit in the vicinity of the zero position is significantly increased by this arrangement.
It is also advisable to attach additional additional electrodes that are conductively connected to the inner electrode and shield the movable element from the outer electrode, which, in combination with the additional electrodes of the outer electrode, determines the course of the electrical field strength per charge unit along the deflection path of the thread , Flattening or .the thread loop so that a certain characteristic of the electrometer is achieved.
The essence of the invention is set out below. can be explained, for example, on the basis of the drawings on the frequently used Schlimgenelectrometer.
It is pointed out, however, that the suggestions given for changing the sensitivity charac- teristic also apply analogously to the single- and double-filament electrometers and the Biatt electrometers.
Using FIGS. 1 a and 1 b, the principle of a known loop electrometer is first explained. A U-shaped curved metal bracket 1 forming the inner electrode is provided with a bracket lying parallel to the metal,
Quartz thread 2 made superficially conductive, galvanically and mechanically connected to the base points 3 of the loop formed. The metal bracket and the quartz thread are enclosed by an external electrode 4. The outer electrode, usually designed as a cylinder, is at the top of the cover:
5, which has an opening 6 for observing the thread crest. The outer electrode is closed at the bottom by the bottom 7,
which electrically shields the insulator 8 from the thread loops. The metal bracket is mechanically fastened in the insulator and protrudes through a recess in the base. If an electrical voltage is applied between the metal bracket and the quartz thread and the external electrode,
then the thread loop spreads from the metal bracket. The deflection of the top of the loop serves as a measure of the applied voltage. The usual elecirometer arrangement according to FIG. 1 has the dependence A shown in FIG. 2: on the applied voltage. This course is characterized by the large square initial area.
For many applications, a quadratic dependency between the measured variable and the measured value display is undesirable, since the low initial sensitivity makes reading small measured values very difficult or impossible.
This shows the scale division a resulting from curve A. A scale division that is practical for use (e.g. linear or logarithmic) can only be achieved with sufficient overall sensitivity if it is possible to increase the initial sensitivity.
The additional electrodes 9 and 10 shown in FIGS. 3a and 3b, which are galvanically connected to the outer electrode, are used for this purpose.
As Fig. 3 shows, the additional electrodes are very close to the thread crest 11 in the zero position, and the electric field strength is very high when a voltage is applied to this stalk,
whereby the thread crest experiences a relatively large deflection. Investigations have shown that the initial deflection is greatest when the thread loop is in the zero position with the front edges of the additional electrodes about ih. one plane (see Fig. 3).
The additional electrodes also act perpendicularly to the direction of deflection by electrostatic forces which, if the system is inadequately balanced, can lead to deformation of the thread loop and, in unfavorable cases, to a short circuit between the thread and one of the additional electrodes.
It is therefore important to reduce the magnitude of the forces that do not act in the direction of deflection and to compensate for one another as far as possible. There are therefore both within and.
an additional electrode is attached outside the thread loop, which are only closely approximated in the view of the thread loop. With the arrangement of the additional electrodes 9 and 10 shown to scale in FIGS. 3a and 3b, a 15-fold increase in the initial sensitivity was measured.
An extension of the measuring range with the same percentage reading accuracy in the entire measuring range. offers a logarithmic scale division. An approximately logarithmic dependence of the peak deflection on the applied voltage was established with the
Arrangement according to Fig. 3a and 3b achieved. The additional electrodes 9 and 10 result from Fig. 4, curve B, he increased initial sensitivity, compared with the original characteristic C.
The necessary reduction of the sensitivity in the middle and upper part of the measuring range is achieved by the thickening of the bottom of the outer electrode shown in FIGS. 3a and 3b into an inner concentric part 12 and a remaining outer ring of this bottom.
Part 12 is galvanically connected to the metal bracket 13, while the outer, remaining annular part of the bottom remains connected to the outer electrode. By choosing the radius of part 12, the sensitivity in the middle and upper part of the measuring range is determined for a given radius of the counter electrode.
Due to the expansion of the measuring range, relatively large electrostatic forces occur perpendicular to the direction of deflection which cannot be absorbed by the measures described above and which would bring the thread loop into an unstable equilibrium. Another part of the invention are therefore the so-called.
Shielding pins 14, which are arranged parallel to the additional electrodes 9 and 10. The shielding pins are galvanically connected to the base part 12 and shield a large part of the thread loop from the lower additional electrode 9.
The course B shown in FIG. 4 was measured with the arrangement shown in FIGS. 3a and 3b. The resulting graduation b was drawn in. The slots 15 and 16 in the additional electrodes 9 and 10, which can be seen in FIG. 3 a, are used for observation or
Projection of the thread slab title. A further embodiment of the invention enables an electrode arrangement to achieve an almost linear sensitivity characteristic. To do this, it is necessary to lower the cover 17 of the outer electrode 18 shown in FIGS. 5a and 5b so far that it is, as shown in the figure,
just above the lower edge of the upper additional electrode 19 is located. This increases the sensitivity in the middle part of the measuring range,
and with correct dimensions, a good approximation of a linear course in the lower and middle part of the measuring range is obtained. A drop in sensitivity in the upper part of the measuring range is avoided.
that one of the Faden'sdhlinge opposite part 20 of the Bo dens to the outer electrode is arranged obliquely so that it forms an angle smaller than 90 with the metal bracket 21. With the arrangement shown in Fig. 5a and 5b, the almost linear curve D shown in Fig. 2 was measured.
The original curve A of an electrometer with the usual arrangement is used for comparison. The scale division d resulting from D was drawn in parallel to the abscissa.
The additional electrodes described above for increasing the initial sensitivity are particularly effective even if the distance between the bow and the thread loop in the apex area is particularly small. If this distance is reduced, the risk that the thread loop will steer off in the direction of the bracket, z.
B. by mass forces, this touches and sticks to him. In order to overcome these difficulties, it is therefore advantageous to provide the bracket with a Schikitz which runs parallel to the thread loop and through which the thread loop can freely pass when deflected in the direction of the bracket.
Fig. 6 shows an embodiment in front and side view. The bracket is composed of the three parts 22, 23 and 24 here. Part 22 is the outer, z.
B. formed from a sheet metal strip Bü gelteil, part 24 is the inner, similarly shaped ironed% l, while on part 23, which only extends up to the height of the fastening parts of the thread loop and provides the necessary distance between part 22 and part 24, the Thread loop 25 is attached.
Another embodiment for eliminating the difficulty that the thread slack touches the bracket under the action of inertia forces and remains stuck to it, consists in the bracket having one or more elevations against which the thread loop can lay when such inertial forces occur.
Experience has shown that the adhesive forces between the two parts are sufficient to hold the thread loop in place and thus make the system unusable. This effect is more pronounced the larger the area in which the two parts touch.
The specified solution takes into account that the possible contact area remains extremely small.
For this embodiment, an example is given in Fig. 7 in a top view and a visual representation. The bead 38 shown in Fig. 7 is attached to the bracket 39, namely at its apex or in its vicinity. The thread loop 40 can lie against this bead 38 under the influence of inertial forces.
Investigations have shown that with this construction of a loop electrometer, the shocks that occur during normal use of this instrument are sufficient to cause the thread loop 40 to detach from the bracket 39.
As shown in FIG. 7, the bead 38 can consist of a wire ring placed around the bracket: 39; however, it can also be generated from the material of the bracket 39 itself by a stowing process.
It is only required; d'ass this bead 38 is located on the side facing the thread loop 40.
Some applications make it necessary to install the electrometer system in a vacuum. The lack of air damping can lead to only visibly dampened mechanical oscillation of the thread loop in the uncharged state.
It is therefore advantageous through a permanent magnetic. Field that is aligned as perpendicular as possible to the direction of deflection to aim an electromagnetic, attenuation of the thread loop.
The currents induced in the thread loop during a movement in the magnetic flaw and filiiessenden over the bracket together with the magnetic field result in a braking moment.
Since the tendency to oscillate in a vacuum occurs practically only in the uncharged state (in the charged state, the charge transport associated with mechanical oscillation ensures that
that yourself. converts the stretched mechanical vibration energy at the thread resistance into heat), it is advantageous, for.
B.. The already existing additional electrodes 9 and 10 to be marginalized so that between the outer and the inner RTI ID = "0003.0230" WI = "24" HE = "4" LX = "1175" LY = "1299" > Additional electrode a magnetic field is created which has the greatest induction in the area of the loop edge.
When measuring these effective tweets of alternating voltages, the frequency of which is close to the mechanical natural frequency of the thread loop, the air damping is not sufficient.
In this case, the frequency range can be expanded downwards by the electromagnetic damping. Another object is therefore to extend the magnetic damping field over the entire deflection range of the thread loop.
In order to enlarge the measuring range, when the magnetic field is present, it is only necessary to send an electric current via the thread loop, which generates a restoring force with the corresponding pole.
added to the elastic restoring force. The electrical connection between the thread loop and bracket at one of the loop foot points can be made detachable, so that the thread and bracket electrically form a series circuit.
Just like a restoring moment, a deflecting moment can be achieved by reversing the direction of the current, whereby a current measurement is possible.
In the case of low demands on the insulation or on the loss angle, an insulating liquid can also be used as the medium surrounding the thread loop to increase the damping.
The increased penetration strength, which has an insulating liquid against air, can also be achieved by filling the electrometer housing with a particularly penetration-resistant gas, preferably SFE.
For practical reasons, the Awssenel electrode and the additional electrodes connected to it can be manufactured as one component.
The same applies to the inner electrode and the additional electrodes connected to it. The use of electrometers in; Heterostatic switching has the advantage of increased sensitivity for all systems, but this is bought at the cost of an additional auxiliary voltage.
It can therefore be advantageous to be able to use the exemplary embodiments, which are primarily designed for use in idiostatic switching, also in heterostatic switching. For this it is necessary to make the electrical connections of the additional electrodes with the outer or inner electrode detachable and to lead their connections to the outside in an isolated manner.
The electrical connection between the inner electrode and the movable element must also be detachable and its connections must be accessible.
By these measures, the circuit shown in Fig. 8. At the case of the Sdhlingenelektrometer it is possible. In the position I of the switch 26, the inner electrode 27 is conductively connected to the movable element 28.
In this arrangement, the additional electrodes 29 and 30 and the outer electrode 31 fulfill the functions already described above, i. H. The electrometer system measures in an idiostatic circuit (the elements 29, 30 and 31 are connected to one another with a relatively low resistance via the potentiometer 32) with a quasi-linear or
quasi-logarithmic characteristic the voltage Um at terminals 33 and 34. If Um is so small that there is no readable deflection in this circuit, then after switching switch 26 to position 1I, there is the possibility of
to increase the sensitivity significantly by applying an auxiliary voltage UH to terminals 35 and 36. The voltage ULI to be measured now only exists between the movable element 28 and the potentiometer tap 37, with which the additional electrode 29 is also connected.
This is set in such a way that the potential on it corresponds exactly to the potential that is generated by the auxiliary field at the location of the loop apex when the auxiliary field is set to zero,
that means for um - 0 no electrostatic forces act on the thread loop in the ideal case. However, this ideal state is difficult to achieve in the case of the loop electrometer, since an equipotential length would have to correspond to the position of the thread loop in the zero position,
which can only be approximately filled.
It is therefore advantageous to use the additional electrodes 29 located in the vicinity of the zero position of the thread loop to stabilize the zero position. These force the potential corresponding to the zero position in the apex area because they are connected to the tap 37.
As the voltage Um increases, the log is deflected in the direction of the outer electrode.
Furthermore, the additional additional electrodes 30 connected to the inner electrode in an idiostatic circuit can be used to increase the zero point stability.
By connecting these additional electrodes to a further tap 38 of the potentiometer, the shape of the auxiliary field can be changed at the points of the thread loop that are not in the effective range of the additional electrodes 29,
that at these points about the same potential! as prevails on 1.