DE3313417A1

DE3313417A1 - Messgeraet zur messung der aufladespannung und der gespeicherten elektrostatischen energie bei elektrostatischen aufladungen

Info

Publication number: DE3313417A1
Application number: DE19833313417
Authority: DE
Inventors: Hans Marschhausen; Andreas 3000 Hannover Teichmann; Eberhard Prof. Dr. 3008 Garbsen Tittes
Original assignee: TITTES EBERHARD PROF DR 3000 HANNOVER DE
Current assignee: TITTES EBERHARD PROF DR 3000 HANNOVER DE
Priority date: 1983-04-13
Filing date: 1983-04-13
Publication date: 1984-10-18

Description

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Meßgerät zur Messung der Aufladespannung und der gespeicherten elektrostatischen Energie bei elektro· statischen Aufladungen

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Messung der Aufladespa/inung und der gespeicherten elektrostatischen Energie bei elektrostatischen Aufladungen.

Zur Erkennung von Zündgefahren durch elektrostatische Aufladungen ist es erforderlich, neben der Aufladespannung auch die gespeicherte elektrostatische Energie zu bestimmen, weil die letztere dafür ent-' scheidend ist, ob ein bestimmtes brand- oder explosionsgefährliches Medium in der Umgebung einer Funken-, oder sonstigen Entladung entzündet werden kann, während es von der Spannung abhängt, ob überhaupt eine Entladung stattfinden kann.

Es ist bekannt, elektrostatische Aufladespannungen mit Hilfe von elektrostatischen Voltmetern, Elektrometerverstärkern oder ähnlichen Meßgeräten mit sehr hohem Eingangswiderstand zu messen. Wenn ausnahmsweise die Kapazität des aufgeladenen Gegenstandes bekannt ist, kann die Energie der gespeicherten Ladung berechnet werden, wenn die Aufladespannung gemessen worden ist. ■

Es ist ferner bekannt, Messungen der elektrischen Feldstärke durchzuführen und aus der gemessenen Feldstärke die Ladungsdichte zu bex'echnen.

Die bisher üblichen Meßmethoden haben jedoch den Nachteil, daß sie für die Bestimmung der Zündgefahr

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die Kenntnis schwer zu bestimmender Meßgrößen voraussetzen und/oder zeitraubende Umrechnungen erfordern. Sie haben ferner den Nachteil, daß z.B. bei der Spannungsmessung die Kapazität des verwendeten jMeP>gerätes den Meßwert erheblich beeinflussen kann und daß bei Feldstärkemessungen Veränderungen des zu messenden Feldes eintreten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Meßverfahren für elektrostatische Aufladungen zu vereinfachen und den Anwender des Gerätes in den Stand zu versetzen, aus der gleichzeitigen Anzeige der Aufladespannung eines aufgeladenen Gegenstandes und der für eine Entladung zur Verfügung stehenden Energie die ■Zündgefahr in einem konkreten Fall unmittelbar abschätzen zu können. Sie verfolgt ferner die Aufgabe, die bei elektrostatischen Spannungsmessungen auftretenden Fehler, insbesondere durch die Kapazität des elektrostatischen Meßgerätes, zu vermeiden. Als v/eitere Aufgabe soll die Angabe der Polarität der gespeicherten Ladungen genannt werden.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die auf dem aufgeladenen Gegenstand gespeicherten elektrischen Ladungen über einen Entladewiderstand auf einen bei Beginn des Meßvorgangs entladenen euer auf eine bekannte Spannung aufgeladenen Kondensator mit bekannter Kapazität übergeleitet werden, die Spannung an diesem" Kondensator während des Uraladevorgangs mehrfach gemessen und aus den einzelnen !■ießergebnissen sowohl die Spannung des auf ge Iacl3r,en Gegenstandes bei Beginn des Mesüvorgangs als auch die Energie der auf dein aufgeladenen Gegenstand gespeicherten elektrische» Ladungen automatisch

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errechnet wird und daß die Berechnungsergebnisse für die Auf 1 adefipannung und Vür die gespeicherte Energie angezeigt werden.

Um aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung an dem Im Meg. ge rät enthaltenen Kondensator, sowohl die Spannung am aufgeladenen Gegenstand als auch die in dem aufgeladenen Gegenstand gespeicherte elektrostatische Ene'rgie bestimmen zu können, sind .drei aufeinanderfolgende M der Spannung erforderlich, die während des Meß-Vorgangs automatisch vorgenommen werden. Als weiteres Ergebnis/erhält man die Polarität der gespeicherten Ladungen.. ~

iJie mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen vor allem daran, daß die für die Zündgefahr durch elektrostati-sche Aufladungen maßgebenden Größen unmittelbar angezeigt werden und daß keine Umrechnungen zur Ermittlung dieser Gi-ößen erforderlich sind-.· Das Keßgerät gemäß der Erfindung vermeidet insbesondere die Schwierigkeiten, die bei den bisher üblichen Meßgeräten znd -verfahren infolge der Verfälschung des Meßergebnisses dur.ch die Eigenkapazität statischer Voltmeter und durch die Unkenntnis bezüglich der Kapa- . zität des aufgeladenen Gegenstandes entstehen.

Lin Ausfü.'ir'ungsbei spiel der Erfindung ist in den '/.ei cn.''iUfj gen dargestellt und wird Im folgenden näher beschrieben. · .

;\s zeigen Pig· 1 ein i:;lockaia>-ra;;:j7i ;ies e-r-fincung^ge-

jnäßen Me ff gerate s.

i-'ig. 2 einen Ausschnitt aus dem Blockdi 'ivram:ri mit dor Barstellung: einer V

!•'ig. 3 cine schemaLI f.che Darstellung der

elektrischen Spannungen während des Keßvorgangs

Flg. Jj einen Ausschnitt aus einer.Blockdarsteilung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung

In Fig. 1 lot dargestellt, Wie eier als Belegung eines Kondensators 1 gezeichnete aufgeladene Gegenstand mit einer Tastspitze 2 berührt wird, sodaß die gespeicherten elektrischen Ladungen über einen Widerstand 3, der

7 S typisch einen Wert in der Größenordnung von 10 ...10 besitzt, auf einen im Meßgerät enthaltenen Kondensator überfließen. Der aufgeladene Gegenstand kann beispielsweise ein Maschinenteil, ein Gebrauchsgegenstand oder ein-e Person sein.

Anstelle des hier gezeichneten einen Kondensators kann auch, wie in Fig. 2 dargestellt, eine Gruppe von Konden satoren 101 vorgesehen werden, sodaß über einen Umschalter 102 wahlweise einer dieser Kondensatoren in Funktion'tritt, um das Meßgerät an die konkrete Meßaufgabe' anzupassen.

Mit Hilfe des Verstärkers mit hochohrnigem Eingang (Elektrometerverstärker) 5 wird die elektrische Spannung am Kondensator 4 an die nachfolgende Auswerteschal tung angepaßt.

Zum Verständnis der weiteren Vorgänge muß zunächst auf Fig. 3 verwiesen werden.

Vor dem Beginn des PäeßVorganges ist der aufgeladene Gegenstand auf die elektrische Spannung U aufgeladen.

Im Zeitpunkt t berührt die Tastspitze 2 den aufgeladenen Gegenstand und die elektrischen Ladungen beginnen auf dem Kondensator H in Figur 1 überzufließen. Infolgedessen nimmt die Ladung und auch die elektrische Spannung des aufgeladenen Gegenstandes (1 in Pig. l) entsprechend einem Exponentj algesetz ab (Spannungsverlauf U (t) in Fig. 3)· Gleichzeitig beginnt die Spannung am Kondensator H In Fig. 1, ebenfalls nach einem Exponentialgesetz, zu steigen (Spannungsverlauf Up(t) in. Fig. 2). 1 Gegen Ende des Urnladevorgangs nähern sich U (t) von oben . f bzw. von -unten immer stärker an die Spannung U(t ) ' \ an. ' i

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich wieder auf ?

Fig. 1. ■ · ·. ·

An den Ausgang des Elektrometerverstärkers 5 ist eine Komparatorachaltung 6 angeschlossen, mit deren Hilfe das Vorzeichen der Spannung Up(t) bestimmt und zur Anzeige gebracht wird. In einer weiteren Verstärkerstufe 7 wird der Absolutbetrag der Ausgangsspannung des Verstärkers 5 gebildet, damit die iveitere Aus- .... * "Wertung unabhängig vom Vorzeichen vorgenommen werden · -i kann. . ;

An den Ausgang der Verstfirkerstufe 7 ist jeweils der eine Eingang zweier Differenzverstärker 8 und 9 angeschlossen. Der andere Eingang des Differenzverstärkers 3 ist mit dem Abgriff eines Spannungsteilers 10 verbunden, an dem die Schwellspannung U eingestellt

werden kann. Arn Ausgang des Differ-Bi^zverstärkers 8 wird Infolgedessen eine Spannung erzeugt, die der Differenz U_o(t) - U proportional ist. Nach B^endigung des Umladevorgangs ist die Ausgangsspannung am

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Differenzverstärker 8 demzufolge proportional zu - U .

Der Ausgang der Verstärkerstufe 7 ist ferner mit dem einen Eingang eines Kornparators 11 verbunden, an dessen anderen Eingang der Abgriff des Spannungsteilers 10 angeschlossen ist. Sobald U-Ct) den Schwellwert U erreicht hat, wird am Ausgang des Koniparators 11 ein Signal in Form einer Sprungfunktion erzeugt.Mit diesem Signal wird eine monostabile Kippstufe 12 angestoßen, die nach Ablauf eines Zeitintervalls Δ t ein weiteres Signal in Form einer Sprungfunktion erzeugt.

Eine weitere Baugruppe, die an den Ausgang der Verstärkerstufe 7 angeschlossen ist, stellt einen Sample & Hold - Verstärker 13 dar. Solange sich diese Baugruppe im Sample - Mode befindetist ihre Ausgangsspannung mit ihrer Eingangsspannung identisch. Beim Übergang in den Hold - Mode wird die zuletzt am Ausgang erzeugte Spannung beibehalten.

Der Übergang vom Sample - In den Hold - Mode wird durch das Sprungsignal am Ausgang der Kippstufe 12 bewirkt. Sobald also das Zeitintervall. A t im Anschluß an die Erreichung der Schwellspannung U abgelaufen ist, bleibt am Ausgang der Sample & Hold - Stufe 13 die Spannung U₃Ct₃) (s. Fig. 3) stehen.

Der Ausgang der Stufe 13 ist mit dem bisher noch nicht besprochenen zweiten Eingang des Differenzverstärkers 9 verbunden. Am Ausgang dieses Differenz-Verstärkers wird, sobald der Sample & Hold-Verstärker in den Hold - Mode übergeg'ingen 1st, eine Spannung proportional zu U₀Ct) - U-Ct-) erzeugt. G<:<-en Ende des ümladevorgarigs nühert sich diese Spannungsdifferenz

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an einen Wert proportional zu U(t-*e°) -

an.

Die weitere Aufgabe besteht nun darin, die beiden Größen

R-C U(t-poö) - Ur ^Uo - "XT ^ln UTt^X~"Dtrt77

zu bestimmen.

E= I . ^i * C²R-U"

- U₂Tt₂T

R ist die Größe des Widerstandes 2, C die Größe des Kondensators 4 und E die gespeicherte elektrostatische Energie. Diese Beziehung gilt unter der Bedingung, daß C /-roß gegen die Kapazität des aufgeladenen Gegenstandes ist Durch (iie Wahl von C kann diese Bedingung leicht erfüllt werden.

Indem den beiden Differenzverstärkern 8 und 9 je ein

logarithmierender Verstärker I^ bzw. 15 nachgeschaltet

wird und die. Ausgänge dieser Verstärker mit den beiden

Eingängen eines Differenzverstärkers l6 verbunden

werden,'wird am Ausgang des Verstärkers l6 die Größe

UTt

-p,

- U=(t₂)

gebildet. Damit ist bereits bis auf einen konstanten Faktor, der durch Wahl des richtigen Verstärkungsfaktors realisiert worden kann. U bestimmt.

Für djc Ermittlung von E muß die Spannung am .Ausgang des Verstärkers l6 noch mit einem weiteren konstanten Faktor und mit Hilfe eines analogen Multiplizierers mit ü²Ct-?o°) multipliziert werden.

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Die beiden Ergebnisse werden durch je einen A/D Wandler mit Digitalanzeige l8 bzw. 19 zur Anzeige gebracht.

Eine stehende Anzeige wird dadurch erreicht, daß der angezeigte Wert gespeichert wird, sobald an einer weiteren monostabilen Kippstufe 20 ein Zeitintervall /\ T abgelaufen ist, das so groß gewählt wird, daß an seinem Ende der Umladevorgang praktisch beendet ist.

In Fig. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgerriäße Meßgerät dargestellt.

Anstelle des Kondensators 4 in Fig. 1 wird hier ein Kondensator 201 mit piezokeraraischem Dielektrikum verwendet-. Durch Anlegen einer Vorspannung, die an einem Spannungsteiler 202 abgegriffen wird, kann sichergestellt werden, da?) unabhängig vom Vorzeichen der Aufladespannung die Polarisicrung des Dielck-. ' trikums nicht umgekehrt wird.

Auf der dem Umladewiderstand 3 abgekehrten Seite sind auf dem piezoelektrischen Dielektrikum oder seiner Belegung Dehnmeßstreifen 203 und 204 befestigt. Die beiden anderen Dehnmeßstreifen 205 und 206 sind auf einem Stück aus dem gleichen piezoelektrischen Material 207, ei as jedoch nicht elektrisch beansprucht wird, in bekannter V/eise zur Temperaturkompensation befestigt.

Die aus den Dehnmeßstreifen 203 bis 2,06 gebiJdete i3rücl;enschaltung wird von einem Trägerfrequenz generator 208 gespeist. Das Sriickenausgungssi" griai wird von einem Trägerfrequeuzverst;"rker 209 verstärkt ,und "gleichgerichtet.

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Der Ausgang des Verstärkers 209 entspricht in seiner

Funktion dem Ausgang des Klektrometerverst.'irkers 5

in Fig. 1. Die weitere Signalverarbeitung erfolgt

■in gleicher V/eise wie im vorigen Ausführungsbei- · §

spiel beschrieben. - . '. " I

Claims

Ansprüche:

(l.JMeßgerät zur Messung der Aufladespannung-und der " ' gespeicherten elektrostatischen Energie bei elektrostatischen Aufladungen, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem aufgeladenen Gegenstand gespeicherten elektrischen Ladungen über einen Entladewiderstand auf einen bei Beginn des Meßvorgangs entladenen oder auf eine bekannte Spannung auf- . geladenen Kondensator mit bekannter Kapazität über geleitet werden, die Spannung an diesem Konden-■ '■'■^•-sator Während des Umladevorgangs mehrfach gemes-'_: - sen und aus den einzelnen Meßergebnissen sowohl die Spannung des aufgeladenen Gegenstandes bei Beginn des Meßvorganges einschließlich ihres Vorzeichens als auch die Energie der auf dem aufge- '■"""' ladenen Gegenstand gespeicherten elektrischen La- · ■-■"" düngen automatisch errechnet wird und daß die Berechnungsergebnisse für die Aufladespannung ■ und für die gespeicherte Energie angezeigt werden.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spannung an dem im Meßgerät ' enthaltenen Kondensator mit Hilfe eines Verstärkers mit sehr hohem Eingangswiderstand (Elektrometerverstärker) geraessen wird.

3· Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß Mittel vorgesehen sind, eine überlastung des . -. Eingangs des sogenannten Elektrometerverstärkers

durch überspannung dadurch zu vermeiden, daß nach • Erreichen einer kritischen Aufladespannung des im Meßgerät enthaltenen Kondensators weitere zufließende elektrische Ladungen abgeleitet werden und daß die Erreichung der kritischen Spannung angezeigt wird, damit der Benutzer erkennt, daß -^ das Meßergebnis infolge Erreichung des Grenzwertes verfälscht ist.

I. Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Meßbereichsumschalter ein für die jeweilige Meßaufgabe passender Kondensator ausgewählt werden kann, derart, daß die sich am Kondensator während des Umladevorgangs einstellenden -elektrischen Spannungen an die nachfolgende Verstärkerschaltung angepaßt werden können.

i. Meßgerät nach Anspruch 2, 3 und ¹I, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftreten eines kritischen Spannungswertes an dem im Meßgerät enthaltenen Kondensator automatisch ein Kondensator mit größerer Kapazität eingeschaltet wird, um die

" 'Spannung an den Elektrometerverstärker anzulassen'.

6. Meßgerät nach Anspruch k_a .dadurch gekennzeichnet> daß beim Auftreten zu geringer Spannungen an dem im Meßgerät enthaltenen Kondensator eine Anzeige erfolgt, damit der Benutzter auf einen Kondensator mit kleinerer Kapazität umschalten kann.

7. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß· der im Meßgerät enthaltene Kondensator als Dielektrikum ein piezokeramisches Material

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enthält, das beim Aufbringen der elektrischen Ladungen auf die Belegungen des Kondensators seine Abmessung quer zur Richtung des elektrischen Feldes ändert und daß auf der Seite des Dielektrikums oder seiner Belegung, die der Verbindung zum aufgeladenen Gegenstand abgewandt ist, Dehnmeßstreifen befestigt sind, mit deren Hilfe die Längenänderung des Dielektrikums und damit die an den Belegungen anliegende Spannung gemessen werden kann. . , ,.

8. Meßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einem piezoelektrischen Dielektrikum versehene Kondensator vor Beginn der Messung auf eine vorgewählte Spannung aufgeladen wird, sodaß während des Umladevorgangs der Kondensator auf keinen Fall umpolarisiert wird, um zu vermeiden, daß bei einem Polaritätswechsel das Meßergebnis durch Polarisierungserscheinungen verfälscht wird. j

S· Meßgerät nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Spannungsmessungen in'einem eingebauten Analogrechenteil erfolgt.

10. Meßgerät nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,· daß die Auswertung der Spannungsmessungen in einem eingebauten Digitalrechenteil erfolgt.

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11. Meßgerät nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem im Meßgerät enthaltenen Kondensator bei einem Meßvorgang drei Spannungsmessungen ausge- · führt werden, von denen die erste nach Errei- chen einer vorgegebenen Spannungsschwelle, die zweite nach einem vorgegebenen zeitlichen Abstand zur erster! Messung und die dritte zu einem Zeitpunkt ausgeführt wird, an dem der ümlader Vorgang praktisch beendet ist.

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