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Messanordnung an einer Einrichtung zum elektrostatischen Beschichten
von geerdeten Gegenständen zum Messen des Erdungswiderstandes Bei allen Verfahren,
bei denen Gegenstände auf elektrostatischem Wege beschichtet werden, ist es besonders
wichtig, dass diese Gegenstände gut geerdnet sind, damit die Potentialdifferenz
zwischen den elektrostatisch aufgeladenen Teilchen des Beschichtungsmateriales und
den Gegenständen erhalten bleibt. Ausserdem soll die Erdung der Gegenstände verhüten,
dass
diese durch den Beschichtungsvorgang selbst aufgeladen werden und damit die Sicherheit
des Bedienungspersonals beeinträchtigen würden.
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Im Zusammenhang mit Einrichtungen zum elektrostatischen Beschichten
wurde bisher der Erdungswiderstand durch gelegentliche direkten Widerstandsmessungen
ermittelt. Kit anderen Worten wird dabei durch Berührung des Gegenstandes diesem
eine bestimmte Spannung aufgedfltokt und es wird der Strom gemessen, der über den
Gegenstand an Erde fliesst. daraus lässt sich der Erdungswiderstand leicht errechnen.
So einfach diese Messinethode ist, hat sie doch bei automatischen Beschichtungsanlagen,
bei denen die Gegenstände an der Beschichtungsdüse vorbeigeführt werden, erhebliche
Nachteile. Zunächst einmal sind die mittels eines Förderers an der Beschichtungseinrichtung
vorbeigeführten Gegenstände über den Förderer selbst geerdet. Dieser Förderer weist
aber zwangsläufig mechanisch bewegte Teile auf und es ist sozusagen unvermeidlich,
dass auf diesen Teilen sich mit der Zeit Zunder- und Schmiermittel-Schichten bilden.
Dieser Umstand beeinflusst indessen zumindest bei niederen Spannungen die Güte des
Kontaktes wischen dem vom Förderer vorbeitransportierten Gegenstand und Erde.
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Das bisher übliche Vorgehen liefert in diesen Fällen nicht nur gelegentliche,
sondern darüberhinaus unzuverlässigt Werte für den Erdungswiderstand, wenn durch
Berührung des Gegenstandes diesem eine verhältnismässig niedere Spannung aufgedrückt
wird, die nicht imstande ist, isolierende Zunder- und Schmiermittel-Filme zu durchschlagen.
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Die Güte der elektrostatischen Beschichtung hängt aber auch vom Wert
des Erdungswiderstandes bei Hochspannung im Bereich der Beschichtungseinrichtung
ab. Wird nun eine direkte rdungswiderstandsmessung in der Nähe der Beschichtungseinrichtung
vorgenommen, so muss, wie bereits erwähnt, der
Gegenstand berührt
werden, um an diesen eine dem ohmschen Messkreis entsprechende, verhältnismässig
niedrige Spannung anzulegen. Abgesehen davon, dass damit kein zuverlässiger Wert
für den Erdungswiderstand ermittelt wird, ist an der Berührungsstelle keine oder
eine weniger satte Beschichtung möglich und es wird eine nachträgliche Ausbesserung
der blank oder ungenügend beschichtet gebliebenen Stelle notwendig.
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Es ist daher ein Zweck der Erfindung, eine Anordnung der eingangs
genannten Art zu schaffen, mit der eine indirekte Messung des Erdungswiderstandes
der Gegenstände im Bereich der Beschichtungseinrichtung röglich ist, und zwar unter
elektrischen Bedingungen, die weitgehend mit denjenigen vergleichbar sind, die während
des Beschichtungsvorganges selbst auftreten. Zu diesem Zweck wurde der Erfindung
die Aufgabe zugrunde gelegt, eine solche Anordnung derart auszugestalten, dass eine
berührungslose Ermittlung von elektrischen Werten bei verhältnismässig hohen Spannungen
gewährleistet ist, aus denen der Erdungswiderstand herleitbar ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Messanordnung an einer Einrichtung
zum elektrostatischen Beschichten von geerdeten Gegenständen zum Messen des Erdungswiderstandes
derselben, wobei die Gegenstände an der Einrichtung vorbeigeführt werden, vorgeschlagen,
die gekennzeichnet ist durch eine in Förderrichtung vor der Einrichtung angeordnete,
berührungslos das elektrische Potential der Gegenstände zu beeinflussen be stimmte
Elektrode sowie durch einen mit dieser Elektrode oder mit einer ebenfalls vor der
Einrichtung angeordneten Influenzelektrode verbundenen Messkreis.
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In der Ausführungsvariante, in der der Messkreis mit der Elektrode
verbunden ist, kann aus dem nach einem anfänglichen Höchstwert sich einstellenden
Dauerwert des diese Elektrode
verlassenden Stromes mit ausreichender
Genauigkeit der Wert des Erdungswiderstandes ermittelt werden.
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Bei der Ausführungsform, bei der der Messkreis mit einer Influenzelektrode
verbunden ist, wird mit der Elektrode den Gegenständen ein bestimmtes elektrisches
Potential aufgedrückt. Sind die Gegenstände imstande, dieses Potential während längerer
Zeit zu halten, ist dies ein Zeichen dafür, dass der Erdungswiderstand einen allzu
grossen Wert hat. In diesem Falle dient die Influenzelektrode im weitesten Sinne
dazu, das vom Gegenstand angenommene Potential zu erfassen, wobei die Influenzelektrode
ihrerseits ein Bestandteil eines Feldstärke-Messgerätes sein kann.
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Die Influenzelektrode kann als Spitze ausgebildet sein und die von
dem aufgeladen gebliebenen Gegenstand ausgehenden Feldlinien sammeln und somit auf
ein Potential gelangen, das vom Potential des Gegenstandes (und von seiner räumlichen
Ausdehnung und seinem Abstand) abhängig ist. Dieses Potential der Spitze lässt sich
sodann direkt oder über einen Spannungsteiler messen und daraus lässt sich der Erdungswiderstand
ermitteln.
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Die Influenzelektrode kann aber auch als Platte ausgebildet sein und
in der einfachsten Ausführungsform bildet sie die eine Elektrode eines Plattenkondensators,dessen
andere Elektrode der Gegenstand selber ist. Dadurch nimmt diese Platte durch Influenz
ein Potential an, das vom Abstand zum Gegenstand, von dessen räumlicher Ausdehnung,
von den eigenen Abmessungen und wiederum vom Restpotential des Gegenstandes abhängig
ist. Auch dieses Potential der Platte lässt sich direkt oder über einen Spannungsteiler
messen und daraus lässt sich wiederum der Erdungswiderstand der Gegenstände ermitteln.
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Die Influenzelektrode kann aber auch durch das Elektrodensystem eines
Influenz-E-Feldmeters, z.B. eines solchen nach Schwenkhagen (vgl. beispielsweise
"Archiv für technisches Messen" (ATM), Lieferung 413, Juni 1970, R 62-63) sein,
dessen Messkreis direkt auf die Feldstärke des vom Gegenstand ausgehenden Feldes
geeicht ist, das seinerseits von dem Potential des Gegenstandes und mithin auch
vom Wert des Erdungswiderstandes abhängig ist.
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Schliesslich kann die Influenzelektrde auch in einem berührungslosen
Entladekreis einer Ionisationskammer eingeschaltet sein, in der ein radioaktiver
Strahler, z.B. ein Alpha- oder Beta-Strahler, eine ionisierte Umgebung mit praktisch
konstanter Ionenkonzentration erzeugt, wobei diese Ionisationskammer durch das vom
Gegenstand ausgehende elektrische Feld beaufschlagt wird. Dieses Feld beschleunigt
oder verzögert nach Massgabe seiner Feldstärke einen in der Ionisationskammer vorhandenen
Ionenstrom und dieser Strom wird über die Influenzelektrode gemessen. Der aus dem
Ionenstrom sich ergebende elektrische Strom bildet mithin ein Mass für das Potential
des Gegenstandes, somit auch - indirekt - ein Mass für den Wert seines Erdungswiderstandes
selbst.
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Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind nachstehend anhand
der Zeichnung näher beschrieben.
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Es zeigt: Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsvariante
der Messanordnung, wobei von der Beschichtungseinrichtung nur der Förderer und die
von diesem geförderten, zu beschichtenden Gegenstände dargestellt sind,
Fig.
2 eine zu Fig. 1 ähnliche Einrichtung, bei der jedoch die Sprühelektrode auf der
einen, die Influenzelektrode auf der anderen Seite der Gegenstände angeordnet ist,
Fig. 3 und 4 zwei einfache Anordnungen, bei denen der Messen kreis direkt mit der
Sprühelektrode verbunden ist, und Fig. 5 und 6 unter Weglassung gewisser Teile eine
Messanordnung in der die Influenzelektrode ein Bestandteil eines elektrischen Feldstärkemessgerätes
ist.
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In sämtlichen Figuren sind einander entsprechende Teile mit denselben
Bezugsziffern bezeichnet.
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Man erkennt in Fig. 1 einen Hängeförderer 10 mit einer Schiene 11,
auf welcher mit Rollen 12 versehene Haken 13 in einer rechtwinklig zur Zeichenebene
stehenden Richtung verschoben werden. An den Haken 13 sind Gegenstände, hier Platten
14, aufgehängt, welche mit dem Förderer an der nicht dargestellten Beschichtungseinrichtung
vorbeigeführt werden, um dort rundum mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet
zu werden. Der Hängeförderer ist geerdet, was mit dem Leiter 15 angegeben ist. Da
zwischen den Platten 14 und den Haken 13 einerseits, den Haken 13 und den Rollen
12 sowie den Rollen 12 und der Schiene 11 Uebergangswiderstände unvermeidlich sind,
ist, elektrisch gesehen, zwischen den Platten 14 und Erde ein elektrischer Widerstand
- der Erdungswiderstand - vorhanden, der in der Fig. 1 mit 16 angedeutet ist. Gegenüber
der Bewegungsbahn der Platten 14 ist eine elektrostatische Aufladeeinrichtung 17
angeordnet, deren Zweck darin besteht, die Platten 14 elektrostatisch aufzuladen.
Die Aufladeeinrichtung
17 weist im wesentlichen einen Hochspannungsgenerator
18 auf, dessen eine Ausgangsklemme über einen Leiter 19 an Erde geführt ist, während
dessen andere Klemme über einen Leiter 20 zu einer Sprühelektrode 21 führt, die
eine oder mehrere Koronaentladungsspitzen 22 aufweist. Der Hochspannungsgenerator
18 ist vorzugsweise bezüglich seiner Ausgangsspannung regelbar, damit die von der
Sprühelektrode 21 geführte Spannung derart einreguliert werden kann, dass mit Sicherheit
zwischen den Entladungsspitzen 22 und der Platte 14 kein Ueberschlag entsteht, was
in erster Linie vom Abstand zwischen den Platten 14 und der Spitze 22 sowie von
der Konfiguration der Platten 14 abhängt. Dagegen ist der Krümmungsradius in der
Entladungsspitze 22 derart gewählt, dass schon bei verhältnismässig geringen Spannungen
eine Koronaentladung entsteht, d.h. dass freie Ladungsträger entstehen, die zu der
Platte 14 wandern. Als Hochspannungsgenerator 18 hat sich ein in seiner Ausgangsspannung
zwischen etwa 10 kV und etwa 70 kV regelbarer Gleichspannungsgenerator als zweckmässig
erwiesen.
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Der Aufladeeinrichtung 17 ist eine mit einer Spitze 24 versehene Messonde
23 zugeordnet, welche über einen Leiter 28 und einen aus zwei Widerständen 25, 26
gebildeten Spannungsteiler an Erde geführt ist. Der Abgriff 27 des Spannungsteilers
25, 26 ist über ein hochohmiges Voltmeter 29 ebenfalls an Erde gefÜhrt und über
einen Leiter 30 mit einer Triggerschaltung 31 verbunden, welche derart eingerichtet
ist, dass beim Ueberschreiten einer vorbestimmten Spannung auf dem Leiter 30 ein
Ausgangssignal geliefert wird, das über einen Leiter 33 eine Alarmeinrichtung aktiviert
und/oder die nicht dargestellte Beschichtungseinrichtung ausschaltet.
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Die Triggerschaltung 31 bezieht ihre Bezugsspannung über einen Leiter
32 von Erde.
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Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist folgende:
Solange keine Platte 14 der Spitze 22 gegenüber angeordnet ist, wandern die meisten
von der Spitze 22 ausgehenden Feldlinien zu dem nächstgelegenen Punkt niedrigeren
Potentiales, d.h. zur Spitze 24. Diese wird nach kurzer Zeit ein von den Widerständen
25, 26 abhängiges Potential gegenüber Erde annehmen, was zur Folge hat, dass am
Abgriff 27 eine Spannung entsteht, die am Voltmeter 29 abgelesen werden kann. Es
entspricht dies dem Zustand, der entstehen würde, wenn vor die Spitze 22 eine Platte
14 mit einem unendlich grossen Erdungswiderstand 16 geführt würde. Befindet sich
dagegen gegenüber der Spitze 22 eine Platte 14 mit einem verhältnissmässig kleinen
Erdungswiderstand 16, wandern die meisten von der Spitze 22 ausgehenden Feldlinien
zu der Platte 14, die sich aber infolge des bescheidenen Wertes des Erdungswiderstandes
16 dauernd zu entladen vermag, so dass sie nicht auf ein nennenswert höheres Potential
als Erde gelangt. Dementsprechend bleibt auch die Spitze 24 der Sonde 23 praktisch
unbeeinflusst, d.h. am Abgriff 27 des Spannungsteilers 25, 26 entsteht nur eine
vernachlässigbar höhere Spannung. Aus dem Gesagten geht hervor, dass es dem Praktiker
keine Mühe bietet, auf empirischem Wege einerseits die Ausgangsspannung des Hochspannungsgenerators
18 auf einen den Bedürfnissen entsprechenden Wert zu regeln, andererseits jenen
Wert der Spannung am Abgriff 27 zu bestimmen, der auf einen zulässig niedrigen Erdungswiderstand
16 hinweist. Dieser Spannungswert wird auf dem Voltmeter 29 vermerkt und an der
Triggerschaltung 31 eingestellt, so dass beim Ueberschreiten dieses Spannungswertes
am Abgriff 27 ein Warnsignal erzeugt wird, während in allen Fällen, wo die Spannung
am Abgriff 27 niedriger ist, die Beschichtungsanlage ungestört weiterbetrieben werden
kann. Es ist zu beachten, dass die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung auch dazu
verwendet werden kann, die Beschichtungseinrichtung während der Zeit, in der
an
ihr Lücken zwischen aufeinanderfolgenden Platten 14 vorbeilaufen, auszuschalten.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung reagiert auf solche Lücken als würden an ihr
Gegenstände mit einem unendlich hohen Erdungswiderstand vorbeigeführt.
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Die Ausführungsform in Fig. 2 unterscheidet sich von jener der Fig.
1 im wesentlichen dadurch, dass die Sprühelektrode 21 auf der einen Seite der Platte
14 und der zum Ermitteln des Erdungswiderstandes benützte Messkreis auf der anderen
Seite der Platte 14 angeordnet sind. Ausserdem kommt bei dieser Ausführungsform
als Sonde keine Spitze zur Verwendung sondern eine Platte 34, welche zusammen mit
der an ihr vorbeigeführten Platte 14 sozusagen einen Kondensator bildet.
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Lässt sich die Platte 14 durch die Sprühelektrode 21 auf ein erhöhtes
Potential bringen, so beeinflusst die Platte 14 die ihr gegenüberliegenden plattenförmige
Influenzelektrode 34, welche ein vom Potential der Platte 14 abhängiges Potential
annehmen wird, das seinerseits am Abgriff 27 des Spannungsteilers 25, 26 gemessen
wird. Auch diese Ausführungsform lässt sich dazu verwenden, die Beschichtungseinrichtung
beim Vorbeilauf von Lücken zwischen aufeinanderfolgenden Platten 14 auszuschalten.
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Bei den in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen wird der Wert
des Erdungswiderstandes 16 nicht über eine Spannungsmessung (wie in Fig. 1 und 2),
sondern über eine Strommessung ermittelt. In Fig. 3 ist den Platten 14 gegenüber
eine Plattenelektrode 35 angeordnet, die über einen Leiter 36 mit einem hochfrequenten
Niederspannungsgenerator 37 verbunden ist, dessen andere Ausgangsklemme über einen
Leiter 38, einen Strommesser und einen Leiter 40 an Erde geführt ist. Die Platte
14 und die Plattenelektrode 35 bilden zusammen einen Kondensator, dessen Kapazität
im wesentlichen (bei vorgegebenen Abmessungen der Platte 14 und der Plattenelektrode
35)
durch den Abstand zwischen diesen beiden Bauteilen gegeben
ist. Da dieser Abstand besonders bei kontinuierlich arbeitenden Beschichtungsanlagen
als in engen Grenzen konstant angenommen werden kann, wird somit der Strom, der
durch diese Anordnung fliesst, im wesentlichen nur noch vom Wert des Erdungswiderstandes
16 abhängen, und zwar wird der Strom umso grösser sein, je kleiner der Erdungswiderstand
ist.
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Auch bei dieser Anordnung versteht es sich von selbst, dass es Sache
der Praktiker ist, jenen Minimalwert des auf dem Strommesser 39 ablesbaren Stromes
zu bestimmen, der für einen ausreichenden kleinen Erdungswiderstand 16 kennzeichnend
ist. Der Strommesser 39 kann derart eingerichtet sein, dass er beim Unterschreiten
dieses Minimalwertes über einen Leiter 41 ein Warnsignal gibt, das zur Aktivierung
einer Alarmanlage und/oder zur Ausschaltung der Sprüheinrichtung herangezogen werden
kann. Typische Werte für den Hochspannungsgenerator 37 sind etwa folgende: Ausgangsspannung
60 Volt, Frequenz regelbar von 5'000 Hz bis etwa 15 kHz.
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Die Ausführungsform der Fig. 4 schliesslich kann als Kombination der
Ausführungsformen der Fig. 1 oder 2 mit jener der Fig. 3 angesprochen werden. Hier
wird der mit dem Strommesser 39 der vom Hochspannungsgenerator 18 aufgewendete Koronaentladungsstrom
der Sprühelektrode 21 herangezogen, um einen Hinweis auf den Wert des Erdungswiderstandes
16 zu ermitteln. In der Tat wird bei sehr hohem Erdungswiderstand 16 die Platte
14 nach kurzer Zeit etwa das Potential der Sprühelektrode 21 annehmen, was zur Folge
hat, dass der Entladungsstrom zurückfällt. Auch hier ist das Unterschreiten des
Entladungsstromes unter einem empirisch zu bestimmenden Minimalwert ein Anzeichen
dafür, dass die gerade an der Anordnung vorbeigeführte Platte 14 einen unzulässig
hohen Erdungswiderstand aufweist
Bei den Messanordnungen der Fig.
5 und 6 ist die Influenzelektrode 24 ein Bestandteil eines Feldstärkenmessgerätes,
das die Feldstärke des von den aufgeladen gebliebenen Platten (in Fig. 5 und 6 nicht
mehr dargestellt) ausgehenden Feldes misst. Bei der Plazierung der Sprühelektrode
auf der gegenüberliegenden Seite der Platte können diese Messanordnungen auch zum
selbsttätigen Ausschalten der Beschichtungseinrichtung, wie zuvor beschrieben, benützt
werden.
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Bei der Messanordnung der Fig. 5 kommt ein Influenz-Feldstärkemessgerät
nach Schwenkhagen zur Anwendung. Bei diesem Gerät ist die Influenzelektrode 34 in
einer topfförmigen Abschirmung 41 angeordnet, in deren Frontplatte 42 sektorförmige
Oeffnungen 43 ausgespart sind, die voneinander von ebensovielen, gleichgeformten
Abdecksektoren (in der Zeichnung nicht sichtbar) getrennt sind. Zwischen der in
der Abschirmung 41 isoliert aufgehängten Influenzelektrode 34 und der Frontplatte
42 ist eine Chopper-Scheibe 44 aus Metall angeordnet, die am Ende einer von einem
Motor 45 getriebenen Welle 46 sitzt und über einen Anschlusspunkt 47 geerdet ist.
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Die Chopper-Scheibe 44 besitzt ebensoviele und ähnlich geformte sektorförmige
Oeffnungen 48 wie die Frontplatte 42.
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Die Feldlinien E der von der Sprühelektrode aufgeladen gebliebenen
Platte greifen durch die Oeffnungen 43 der Frontplatte 42 und enden je nach der
momentanen Stellung der Chopper-Scheibe 44 entweder auf dieser oder an der Influenzelektrode
34.
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Die Influenzelektrode 34 ist mit dem Eingang eines Wechselstromverstärkers
49 verbunden. Der Ausgang dieses Verstärkers 49 ist mit einem Multiplikator 50 verbunden,
in dem das aus dem Verstärker anfallende Signal mit einer vom Motor 45 bezogenen,
die Frequenz und Phase der Chopper-Scheibe 44 wiedergebenden
Referenzspannung
multipliziert wird. Danach wird das so entstandene Wechselspannungssignal in einem
Tiefpassfilter 51 gleichgerichtet und als nach Grösse und Vorzeichen der zu messenden
Feldstärke entsprechende Gleichspannung einem Messgerät 52 zugeführt.
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Wie bereits erwähnt, findet sich ein solches Gerät, umfassend die
Bestandteile 34 und 41 bis 52 der Fig. 5 in der erwähnten Literaturstelle beschrieben
und ist als kompakte Einheit im.Handel erhältlich.
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Der Vorteil der Messanordnung der Fig. 5 besteht nicht nur darin,
dass sie auch verhältnismässig kleine Feldstärken von etwa 2 kV/m sicher zu erfassen
vermag, sondern auch darin, dass der Messwert dank der ausgesprochenen Richtcharakteristik
der Influenzelektrode in der,Abschirmung kaum Störeinflüssen ausgesetzt ist.
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Auch bei dieser Anordnung ist indessen über das vom aufgeladen gebliebenen
Gegenstand ausgehenden elektrischen Feld ein einwandfreier Rückschluss auf den Erdungswiderstand
möglich, wobei dank der Empfindlichkeit dieser Messanordnung der Erdungswiderstand
erheblich genauer ermittelt werden kann.
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Dasselbe gilt im Prinzip für die Messanordnung der Fig. 6, wo die
Influenzelektrode im Inneren einer Ionisationskammer 53 angeordnet ist. Diese Ionisationskammer
weist eine Oeffnung 54 auf, durch die die Feldlinien E eintreten können.
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Das Innere der Ionisationskammer 53 weist infolge der Anwesenheit
eines Strahlers 55, z.B. eines schwachenAlpha-Strahlers oder eines Beta-Strahlers,eine
praktisch konstante Ionenkonzentration auf. Der Strahler 55 kann in die Influentelektrode
34 in dem Sinne integriert sein, als diese
aus einem leitenden,
schwach radioaktiven Material bestehen kann, wie es beispielsweise für solche Zwecke
von der Firma US Radium Corporation in den Handel gebracht wird.
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Durch eine geringe Vorspannung, z.B. durch eine Batterie 56, ist die
Influenzelektrode 34 bezüglich der Ionisationskammer 53 vorgespannt, so dass stets
ein durch einen Widerstand 57 begrenzter, und von der Ionenkonzentration abhängiger
geringer Ruhestrom fliesst, der als Spannungsabfall über dem Widerstand 57 abgegriffen
werden kann.
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Treten nun die Feldlinien E in die Ionisationskammer, beschleunigen
(oder verzögern) sie den Ionenstrom und führen zu einer Aenderung des elektrischen
Stromes durch den Widerstand 57, welche Aenderung,an einem Instrument 58 ablesbar,
ein Mass für die Richtung und die Grösse der Feldstärke des Feldes ist, das von
dem wiederum nicht dargestellten, elektrostatisch zu beschichtenden Gegenstand ausgeht,
sofern dessen Erdungswiderstand zu gross ist, um die von der Sprühelektrode aufgebrachte
Ladung rechtzeitig abzuleiten.
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Es versteht sich von selbst, dass im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen
Messanordnung auch andere Feldstärken-Messgeräte verwendet werden können, soweit
diese berührungslos arbeiten. Die in Fig. 5 und 6 beschriebenen Feldstärken-Messgeräte
sind ausdrücklich als Beispiele zu Verstehen.