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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen elektrostatischer Aufladungen, insbesondere in der Atmosphäre. Die Vorrichtung findet beispielsweise Anwendung bei einem Unwettergefahrenwarnsystem.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Für die Warnung von Personen oder Anlageninstallationen vor aufziehendem Unwettern mit der Gefahr von Blitzentladungen sind heutzutage beispielsweise folgende Techniken bekannt und in Anwendung:
- • Gefahreneinstufung anhand der meteorologischen Wetterprognose basierend auf Daten von lokalen Wetterstationen, Satellitenbildern, Wetterballons und Niederschlagsradar;
- • Blitzortung mit Radiotechniken und Verfolgung der Unwetterfront zur Gefahreneinstufung;
- • Detektion lokaler elektrostatischer Aufladung in der Atmosphäre mit elektrischen Feldmühlen oder elektronischen Ladungsverstärkerschaltungen.
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Die auf der Wetterprognose beruhende Gefahrenwarnung ist die häufigste Methode zur Warnung der Bevölkerung bei Tätigkeiten oder Aufenthalt im Freien. Sie ist gut etabliert, findet ihre Grenzen aber in der räumlichen Auflösung und Vorhersagegenauigkeit.
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Für die Warnung von Personen oder installierten Anlagen in einem räumlich begrenzten Gebiet wird oft die Methode der Blitzortung und Verfolgung eingesetzt. Insbesondere aus der räumlichen Verfolgung einer Unwetterfront kann eine frühzeitige Gefahreneinstufung und Warnung der Personen bzw. Anlagen erfolgen. Nachteilig an dieser Methode ist die Notwendigkeit einer bzw. mehrerer Blitzentladungen. Diese sind notwendig, um auf die Unwettergefahr aufmerksam zu werden und diese zeitlich und räumlich zu verfolgen.
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Wettersituationen, in denen wenig horizontale Luftbewegung stattfindet, sind hier besonders kritisch. Wenn eine feuchte und warme Luftmasse direkt über dem zu überwachenden Gebiet in die Höhe aufsteigt, sich aber lateral kaum weiterbewegt, dann entsteht das Gewitter direkt über dem überwachten Gebiet, und die Vorwarnung mit Blitzortung ist praktisch nicht möglich.
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Insbesondere in diesem Fall, aber auch allgemein, bietet sich die Beobachtung der Atmosphäre in Bezug auf elektrostatische Aufladung an. Die Verteilung der räumlich getrennten positiven und negativen Ladungen in einer Gewitterwolke hat eine messbare elektrische Feldstärke im Bereich einiger kV/m am Erdboden zur Folge. Diese elektrische Feldstärke verändert sich bei Aufziehen einer Gewitterwolke relativ langsam. Daher kann man hiervon quasistatischen elektrischen Feldern sprechen.
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Aus den Maxwellschen Gleichungen ist bekannt, dass ein Verschiebungsstrom I durch die zeitliche Änderung des elektrischen Flusses Ψ einer Fläche A im elektrischen Feld E verursacht wird.
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Statische elektrische Felder werden heute üblicherweise mit elektrischen Feldmühlen oder elektrischen Rotationsmühlen detektiert. In beiden Konzepten wird eine mechanische Abschattung der Sensorelektrode und damit der Sensorfläche A durch eine Rotationsbewegung bewirkt. Die mechanische Rotation hat den Nachteil, dass es sich um bewegte Teile handelt, die dem Verschleiß unterliegen und einen Wartungsaufwand verursachen.
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Alternativ kommen heute rein elektronische Sensoren zum Einsatz, die intern auf einer Integratorschaltung beruhen. Mit dieser Schaltungstechnik wird der durch die zeitliche Änderung des elektrischen Felds verursachte Verschiebestrom aufsummiert. Die sich ergebende Influenzladungsmenge ist proportional zur Höhe des elektrischen Feldes. Herausfordernd an diesem Konzept ist die langsame Änderung des elektrischen Feldes, die sehr kleine Verschiebungsströme zur Folge hat. Die Schaltung muss daher eine sehr hohe Verstärkung aufweisen, damit das Ausgangssignal elektronisch weiterverarbeitet werden kann. Eine typische Folge in der Ladungsverstärkerschaltung ist eine Drift des Ausgangssignals durch geringste Gleichstromanteile.
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Die
EP 2 940 493 A1 offenbart ein Gewitterfrühwarnsystem für ein Fahrzeug mit mindestens einem Steuergerät, das einen antennenartigen Sensor zum Erfassen mindestens eines elektromagnetischen Signals, und einen Prozessor aufweist, durch den das durch den Sensor erfasste Signal interpretierbar ist und insbesondere ein Gewitter erfassbar ist, und mit einer Anzeigeeinrichtung, durch die zumindest bei erfassten Gewitter durch den Prozessor ein Warnsignal anzeigbar ist. Es zeichnet sich dadurch aus, dass die Anzeigeeinrichtung an und/oder in einer Rückblickvorrichtung und/oder einer Konsole des Kraftfahrzeugs anordenbar oder angeordnet ist.
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Die
EP 0 191 899 A2 beschreibt einen Sensor zur Messung elektrischer Eigenschaften von Objekten in einem elektrischen Feld mittels zweier felderzeugender, an eine Wechselspannungsquelle anschließbarer Elektroden, und einer Sensorelektrode, wobei zur Messung eines auf den Sensor aufbringbaren schichtförmigen Objektes auf einem Träger aus elektrisch isolierendem Werkstoff in einer Ebene die eine felderzeugende Elektrode und die Sensorelektrode (2) in einer Schicht nebeneinanderliegend mit Abstand zueinander aufgebracht sind, und wobei zwischen den beiden Elektroden und dem Träger durch eine elektrisch isolierende Schicht von diesen Elektroden getrennt, die zweite felderzeugende Elektrode angeordnet ist.
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Die
DE 10 2012 222 973 A1 beschreibt eine mikromechanische Struktur, insbesondere mikromechanisches Elektrofeldmeter als Gewitterwarner, zur Detektion eines elektrischen Feldes, mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Substrat, einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einer Antriebsanordnung zur Bewirkung einer Relativbewegung der zweiten Elektrode gegenüber der ersten Elektrode in eine Überlappstellung, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode in der Überlappstellung in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats verlaufende Projektionsrichtung übereinander angeordnet sind, und wobei die zweite Elektrode ein definiertes Potential zur Abschirmung der ersten Elektrode gegenüber dem elektrischen Feld in der Überlappstellung aufweist.
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Die
DE 10 2017 100 785 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Blitz- oder Gewitterwarnung mit einer Sensorik zur Erfassung von Umweltparametern einschließlich elektrischer, elektromagnetischer und/oder elektrostatischer Felder sowie einer Auswerte- und Kommunikationseinrichtung zum Weiterleiten blitz- oder gewitterrelevanter Informationen an eine Zentraleinheit und/oder zum Datenaustausch mit weiteren, örtlich entfernten Warneinrichtungen, wobei diese an oder in der Nähe einer Blitzfangstange angeordnet ist und der bei einer Blitzentladung über die Blitzfangstange fließende Strom mittels des sich um die Blitzfangstange temporär ausbildenden elektromagnetischen Feldes detektiert wird, und eine photovoltaische Stromversorgungseinheit ausgebildet ist, welche eine autarke, netzfreie Versorgung der Auswerte- und Kommunikationseinrichtung realisiert.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Erfassen elektrostatischer Aufladungen gemäß dem unabhängigen Schutzanspruch 1.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Idee bezieht sich auf die Ausgestaltung der Sensorelektrode als linienförmige Leitereinrichtung, welche eine offene Fläche aufspannt, die vorzugsweise senkrecht im elektrischen Feld aufspannbar ist, aufgrunddessen sich die Influenzladung ausbildet.
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Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass sie im Vergleich zu einer bekannten Feldmühle einen einfachen Ausfbau bei großer Empfindlichkeit aufweist.
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Die offene Fläche ermöglicht bei bevorzugten Anwandungen im Freien, dass im Vergleich zu einer homogenen Sensorelektrodenplatte oder - kugel der Feuchtigkeitseinfluß durch Niederschlag (Nebel, Regentropfen, Schneefall oder Reifbildung) minimiert ist. Die Regentropfen sammelnde Fläche ist hierbei sehr viel kleiner als im Fall einer homogenen Fläche, so dass der negative Effekt geladener Wassertropen oder -kristalle deutlich reduziert ist. Mit dieser Gestaltung kann die elektrisch aktive Sensorfläche deutlich vergrößert werden. Diese Fläche steigt quadratisch mit dem Radius, während die Randfläche entlang des Umfangs nur proportional zum Radius ansteigt. Die Technik funktioniert besonders gut, solange der Abstand der aufgespannten offenen Fläche zum Erdboden größer ist als der Radius der offenen Fläche.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsforist die Fläche im Wesentlichen eben ausgebildet. Dies erhöht die Empfindlichkeit der Sensorelektrode.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Fläche eine Mehrzahl getrennter Teilflächen auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die linienförmige Leitereinrichtung keine geschlossene Leiterschleife auf. So lassen sich magnetisch induzierte Kreisströme vermeiden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die linienförmige Leitereinrichtung und die elektrische Verbindungseinrichtung an der Aussenseite elektrisch isolierend ummantelt. Dies vermeidet mögliche Kriechströme zur Erde.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Aufhängungseinrichtung einen elektrisch isolierenden Stab und einen elektrisch isolierenden Standfuß auf, wobei der Aufhängungsbereich an einem ersten Ende des Stabes und der Standfuß an einem gegenüberliegenden zweiten Ende des Stabes angeordnet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Stab röhrenförmig ausgebildet, wobei die elektrische Verbindungseinrichtung zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig, im Röhreninneren verläuft. Dies trägt ebenfalls zur Verhinderung von Kriechströmen bei.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die linienförmige Leitereinrichtung einen einzelnen gefalteten und/oder gekrümmten Leiter auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die linienförmige Leitereinrichtung eine Mehrzahl elektrisch verbundener geradliniger Leiter auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Mehrzahl geradliniger Leiter in ihrem Mittelpunkt einander kreuzend elektrisch verbunden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die linienförmige Leitereinrichtung einen aus der Fläche herausführenden Fortsatz auf, an welchem den Aufhängungsbereich und der Kontaktbereich liegen. Diese Anordnung schirmt die Verbindungstelle gegenüber dem äußeren elektrischen Feld ab und verhindert so ungewünschte Leckströme aus Corona-(elektrischen Teil-)Entladungen an scharfen Kanten bei hohen elektrischen Feldstärken.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform geht der Fortsatz im Wesentlichen vom Zentrum der Fläche aus.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegen der Kontaktbereich und der Aufhängungsbereich im Wesentlichen im Zentrum der Fläche liegen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Auswerteeinrichtung einen Ladungsverstärker und einen Mikrocontroller aufweist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind an der elektrisch isolierenden Aufhängungseinrichtung ein oder mehrere elektrisch isolierende Abschirmplatten angebracht sind. Dies trägt ebenfalls zur Verhinderung von Kriechgströmen bei.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen erläutert. Von den Figuren zeigen:
- 1a),b) eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Erfassen elektrostatischer Aufladungen, insbesondere in der Atmosphäre, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei 1b) eine perspektivische Teilansicht von 1a) darstellt;
- 2 eine perspektivische Teilansicht einer Vorrichtung zum Erfassen elektrostatischer Aufladungen, insbesondere in der Atmosphäre, gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Erfassen elektrostatischer Aufladungen, insbesondere in der Atmosphäre, gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
- 4a)-4c) Draufsichten auf Sensorelektroden einer Vorrichtung zum Erfassen elektrostatischer Aufladungen, insbesondere in der Atmosphäre, gemäß einer vierten bis sechsten Ausführungsform der Erfindung; und
- 5 ein Schaltungsdiagramm einer elektronischen Ladungsverstärkerschaltung zur Verwendung bei Ausführungsformem der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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1a),b) zeigen eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Erfassen elektrostatischer Aufladungen, insbesondere in der Atmosphäre, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei 1b) eine perspektivische Teilansicht von 1a) darstellt.
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Die Vorrichtung zum Erfassen elektrostatischer Aufladungen gemäß der ersten Ausführungsform ist zur Anwendung im Freien ausgelegt und dient somit zum Erfassen elektrostatischer Aufladungen in der Atmosphäre.
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Mit Bezug auf 1a) und 1b) umfasst sie eine kapazitive Sensorelektrode, welche eine linienförmige Leitereinrichtung 10 aufweist, die eine offene ebene Fläche A1 aufspannt. Auf der linienförmigen Leitereinrichtung 10 ist eine Influenzladung aufgrund des von der elektrostatischen Aufladung der Atmosphäre verursachten elektrischen Feldes 20 ausbildbar.
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Eine elektrisch isolierende Aufhängungseinrichtung 11, 14, 16 für die Sensorelektrode weist einen quaderförmigen Halterungsblock 11, einen elektrisch isolierenden röhrenförmigen Stab 14 und einen elektrisch isolierenden Standfuß 16 auf, welche beispielsweise aus einem Kunststoff hergestellt sind.
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Die linienförmige Leitereinrichtung 10 ist in mindestens einem Aufhängungsbereich AP an der elektrisch isolierenden Aufhängungseinrichtung aufgehängt, und zwar vorliegend im Halterungsblock 11 beispielsweise in Form einer Klemmverbindung.
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Der Halterungsblock 11 mit dem Aufhängungsbereich AP ist an einem ersten Ende des röhrenförmigen Stabes 14 und der Standfuß 16 an einem gegenüberliegenden zweiten Ende des Stabes 14 angeordnet.
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Die linienförmige Leitereinrichtung 10 weist einen Rundbogen auf, der die Fläche A1 festlegt, sowie einen aus der Fläche A1 herausführenden Fortsatz 10a auf, an dessen Ende sowohl der Aufhängungsbereich AP als auch ein elektrischer Kontaktbereich K liegen. Der Fortsatz 10a geht im Wesentlichen vom Zentrum der Fläche A1 aus.
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Die linienförmige Leitereinrichtung 10 ist in dem Kontaktbereich K elektrisch von einer elektrischen Verbindungseinrichtung 12 kontaktiert, welche die linienförmige Leitereinrichtung 10 mit einer Auswerteeinrichtung 13 zum Auswerten von auf der linienförmigen Leitereinrichtung 10 gebildeter Influenzladung elektrisch verbindet.
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Die elektrische Verbindungseinrichtung 12 ist beispielsweise ein isolierend ummanteltes Kabel, welches ausgehend vom Kontaktbereich K durch den Halterungsblock 11 und das Röhreninnere des Stabes 14 zur Auswerteeinrichtung 13 geführt ist. Die (nicht dargestellten) Verbindungsöffnungen zur Kabeldurchführung oder für den Anschluss des Sensorelements am Halterungsblock sollten abgedichtet werden, um den Eintritt von Feuchtigkeit und
die damit verbundenen Kriechströme zu vermeiden.
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Vorzugsweise ist auch die linienförmige Leitereinrichtung 10 vollständig isolierend ummantelt. Die Ausbildung von geschlossenen Wasserflächen mit der Folge von unerwünschten Kriechströmen zur Erde bei Niederschlag wird bei dieser ersten Ausführungsform durch die Anordnung von beabstandeten elektrisch isolierenden schirmförmigen Abschirmplatten 15 entlang entlang des Stabes 14 vermieden.
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2 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer Vorrichtung zum Erfassen elektrostatischer Aufladungen, insbesondere in der Atmosphäre, gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Die Vorrichtung zum Erfassen elektrostatischer Aufladungen gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der Vorrichtung zum Erfassen elektrostatischer Aufladungen gemäß der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Aufhängusngseinrichtung keinen Halterungsblock 11, sondern eine Halterungsklemme 11 mit einem Aufhängungsbereich AP' aufweist, welche mittels einer Schraubeinrichtung SC an den Stab 14 geklemmt ist. Die Schraubeinrichtung SC bildet gleichzeitig den Kontaktbereich K' aus.
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Die elektrische Verbindungseinrichtung 12' ist beispielsweise ebenfalls ein isolierend ummanteltes Kabel, welches ausgehend vom Kontaktbereich K' an der Ausssenseite des Stabes 14 zur Auswerteeinrichtung 13 (vgl. 1a und 3) geführt ist.
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Ansonsten ist die zweite Ausführungsform analog zur ersten Ausführungsform aufgebaut.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Erfassen elektrostatischer Aufladungen, insbesondere in der Atmosphäre, gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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Die Vorrichtung zum Erfassen elektrostatischer Aufladungen gemäß der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der Vorrichtung zum Erfassen elektrostatischer Aufladungen gemäß der zweiten Ausführungsform dadurch, dass die linienförmige Leitereinrichtung 10' eine Mäanderform aufweist, der eine erste Teilfläche A21 und eine zweite Teilfläche A22 aufweist, welche zusammen die offene Fläche der Sensorelektrode ergeben.
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Die linienförmige Leitereinrichtung 10' weist keinen Fortsatz, vielmehr liegen der Aufhängungsbereich AP' als auch der elektrische Kontaktbereich K' im Zentrum der Mäanderform bzw. der dadurch gebildeten offenen Fläche.
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Ansonsten ist die dritte Ausführungsform analog zur zweiten Ausführungsform aufgebaut.
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4a)-4c) sind Draufsichten auf Sensorelektroden einer Vorrichtung zum Erfassen elektrostatischer Aufladungen, insbesondere in der Atmosphäre, gemäß einer vierten bis sechsten Ausführungsform der Erfindung.
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Die Sensorelektrode gemäß der vierten Ausführungsform nach 4a) weist eine linienförmige Leitereinrichtung 10" auf, die bezüglich der dadurch aufgespannten offenen Fäche A3 mehrfach rechtwinklig nach innen gekrümmt ist
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Die Sensorelektrode gemäß der fünften Ausführungsform nach 4b) weist eine linienförmige Leitereinrichtung 10''' auf, die eine Mehrzahl von sechs elektrisch verbundenen geradlinigen Leitern S41-S46 aufweist, welche in ihrem Mittelpunkt M4 einander gleichwinklig unter 60 Grad kreuzend elektrisch verbunden ist. Somit spannt sie eine erste bis sechste Teilfläche A41-A46 auf, welche zusammen die offene Fläche der Sensorelektrode ergeben.
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Die Sensorelektrode gemäß der sechsten Ausführungsform nach 4c) weist eine linienförmige Leitereinrichtung 10"" auf, die eine Mehrzahl von zwei elektrisch verbundenen geradlinigen Leitern S51, S52 aufweist, welche in ihrem Mittelpunkt M5 einander gleichwinklig unter 90 Grad kreuzend elektrisch verbunden ist. Somit spannt sie eine erste bis vierte Teilfläche A51-A54 auf, welche zusammen die offene Fläche der Sensorelektrode ergeben.
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5 ist ein Schaltungsdiagramm einer elektronischen Ladungsverstärkerschaltung zur Verwendung bei Ausführungsformem der vorliegenden Erfindung.
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Die elektronischen Ladungsverstärkerschaltung ist in der Auswerteeinrichtung 13 angeordnet, welche wiederum über die elektrische Verbindungseinrichtung 12, 12' mit der linienförmigen Leitereinrichtung 10; 10'; 10"; 10"'; 10"" elektrisch verbunden ist, wie ausführlich vorstehend beschrieben.
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Die elektronischen Ladungsverstärkerschaltung kann eine elektronische (z.B. thermische) Drift kann bei einer analogen Sensorschaltung reduzieren, indem ein hochohmiger Widerstand R parallel zum einem Kondensator C in der Rückkopplung eines Operationsverstärkers OPA angeordnet. Die Parallelschaltung aus dem Widerstand R und dem Kondensator C begrenzt die Bandbreite dieser Integratorschaltung zu kleinen Frequenzen hin, wobei die Grenzfrequenz anwendungsspezifisch passend zu typischen Feldtransienten gewählt wird.
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Die Störanfälligkeit der Sensorschaltung gegenüber elektrischen Störfeldern (EMV) kann durch einen nachgeschalteten Tiefpassfilter LPF verbessert werden. Die Sensorausgabe OUT erfolgt über einen dem Tiefpassfilter LPF' nachgeschalteten Mikrocontroller µC z.B. an eine (nicht dargestellte) Anzeigeeinrichtung oder Speichereinrichtung.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind auch Kombinationen der voranstehenden Ausführungsbeispiele denkbar.
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Insbesondere ist die Geometrie der linienförmigen Leitereinrichtung vielfältig variierbar, um die erforderliche offene Fläche zu bilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2940493 A1 [0010]
- EP 0191899 A2 [0011]
- DE 102012222973 A1 [0012]
- DE 102017100785 A1 [0013]
