DE3410527A1

DE3410527A1 - Probe for a device for measuring the electrical field

Info

Publication number: DE3410527A1
Application number: DE19843410527
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr. 5000 Köln Dirks
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: LD Didactic GmbH
Priority date: 1983-04-02
Filing date: 1984-03-22
Publication date: 1984-10-04

Abstract

In this probe, a "comb capacitor" (1) is used as capacitor with variable capacitance. This capacitor exhibits two electrodes (2, 3) which are constructed in the manner of a comb and which are constructed and arranged in such a manner that they can be given a relative intermeshing movement in the area of the rows of teeth. <IMAGE>

Description

Sonde für ein Gerät zur Messung des elektrischen FeldesProbe for a device for measuring the electric field

Bei der Messung der Stärke elektrischer Felder wird die Tatsache ausgenutzt, daß das Feld auf der Oberfläche einer Elektrode Ladungen influenziert, deren Dichte von der jewei ligen Feldstärke abhängt. Bei einem bekannten E-Feldmeter ist eine feststehende Sektorfeld-Meßelektrode vorgesehen, vor der ein auf Masse liegendes Flügelrad rotiert. Durch dieses Flügelrad wird der elektrische Fluß zur Meßelektrode mehr oder weniger abgeschirmt und schwankt deshalb periodisch zwischen einem Maximalwert und Null. Der Meßelektrode ist ein hochohmiger Arbeitswiderstand zugeordnet, an dem periodische Spannunysimpulse erzeugt werden. Die Höhe dieser Impulse ist der zu messenden elektrischen Feldstärke proportional. Mittels bekannter elektronischer Schaltungen können diese Wechselspannungssignale in ein ebenfalls der zu messenden elektrischen Feldstärke proportionales Gleichspannungssignal umgewandelt werden.When measuring the strength of electric fields, the fact is exploited that the field on the surface of an electrode influences charges, their density depends on the respective field strength. In a known E-field meter is one Fixed sector field measuring electrode is provided, in front of which a grounded Impeller rotates. This impeller turns the electrical flow into the measuring electrode more or less shielded and therefore fluctuates periodically between a maximum value and zero. A high-ohmic working resistance is assigned to the measuring electrode, on periodic voltage pulses are generated. The height of these impulses is electric field strength to be measured is proportional. By means of well-known electronic Circuits can convert these AC voltage signals into one of the also to be measured Electric field strength proportional DC voltage signal can be converted.

Weitere ebenfalls mit Rotoren arbeitende Geräte zur Messung elektrischer Felder sind aus der DE-OS 26 37 713 und der US-PS 38 46 700 bekannt.Other devices, also working with rotors, for measuring electrical Fields are known from DE-OS 26 37 713 and US-PS 38 46 700.

Nachteilig an den vorbekannten Sonden ist die Tatsache, daß rotierende Teile vorhanden sein müssen. Dadurch wird der Aufbau der Sonde relativ kompliziert und - wegen des Antriebsmotors - relativ groß, was nicht nur.hinsichtlich der Herstellkosten, sondern auch hinsichtlich der Meßgenauigkeit bei in ihrer Ausdehnung begrenzten elektrischen Felder nachteilig ist.The disadvantage of the known probes is the fact that rotating Parts must be present. This makes the construction of the probe relatively complicated and - because of the drive motor - relatively large, which is not only in terms of manufacturing costs, but also with regard to the measurement accuracy with limited dimensions electric fields is disadvantageous.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonde für ein Gerät zur Messung des elektrischen Feldes zu schaffen, die keine rotierenden Teile mehr aufweist.The present invention is based on the object of a probe to create a device for measuring the electric field that is not rotating Has more parts.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Sonde zwei kammartig ausgebildete Bauteile aufweist, welche derart ausgebildet und angeordnet sind, daß sie in eine periodische, im Bereich der Zahnreihen einander durchdringende Relativbewegung versetzbar sind.According to the invention this object is achieved in that the probe has two having components formed like a comb, which are formed and arranged in such a way are that they are in a periodic, interpenetrating in the area of the rows of teeth Relative movement are displaceable.

Eine in dieser Weise ausgebildete Sonde ist kompakt und weist keine rotierenden Teile auf. Eine exakte, potentialfreie Messung elektrischer Felder ist mit dieser Sonde möglich. Sie beruht auf der Messung der Umladungsströme, die beim Wechsel der Positionen der beiden Elektroden des "Kammkondensators" fließen. Auch als Tangentialfeld-Sonde ist sie einsetzbar.A probe formed in this way is compact and has none rotating parts. An exact, potential-free measurement of electrical fields is possible with this probe. It is based on the measurement of the charge reversal currents that occur during Change the positions of the two electrodes of the "comb capacitor" flow. Even it can be used as a tangential field probe.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.Further advantages and details of the invention should be based on In Figures 1 to 4 illustrated embodiments are explained.

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht der vorderen Bereiche der Elektroden 2 und 3 des erfindungsgemäßen "Kammkondensators" 1. Die Elektrode 2 ist auf einem Träger 4 fest gehaltert. Sie weist eine von den Zähnen 5 gebildete Zahnreihe auf. Die Lücken dieser Zahnreihe sind mit 6 bezeichnet.Figures 1 and 2 show a plan view and a side view the front areas of electrodes 2 and 3 of the "comb capacitor" according to the invention 1. The electrode 2 is held firmly on a carrier 4. She assigns one of the Teeth 5 formed row of teeth. The gaps in this row of teeth are denoted by 6.

Der Elektrode 2 zugeordnet ist die Elektrode 3 mit ihren Zähnen 7 und Zahnlücken 8 derart zugeordnet, daß sie einander auch dann nicht berühren, wenn die Zähne 5 und 7 einander durchdringen, d. h., wenn sich die Zähne 7 der Elektrode 3 in der Ebene der Zähne 5 der Elektrode 2 befinden. Die Form der Zähne 5 bzw. 7 kann beliebig sein.The electrode 3 with its teeth 7 is assigned to the electrode 2 and tooth gaps 8 assigned in such a way that they do not touch each other even if teeth 5 and 7 penetrate one another, d. i.e. when the teeth 7 of the electrode 3 in the plane of the teeth 5 of the electrode 2 are located. The shape of the Teeth 5 and 7 can be any.

Es muß lediglich die Forderung erfüllt sein, daß sie einander berührungsfrei durchdringen können.The requirement only has to be met that they are free of contact with one another can penetrate.

Die Elektrode 3 ist zumindest in ihrem vorderen, mit den Zähnen 7 ausgerüsteten Bereich senkrecht zur Ebene der feststehenden Elektrode 2 bewegbar.Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, kann das z. B. dadurch realisiert sein, daß die Elektrode 3 als schwingfähiges, bandabschnittförmiges, auf ihrer den Zähnen 7 abgewandten Seite fest eingespanntes Bauteil ausgebildet ist, welches sich in seiner Ruhelage in der Ebene der Elektrode 2 befindet. Mit Hilfe eines Magnetantriebs 9 kann diese Elektrode 3 in unterschiedliche Positionen gebracht oder derart in Schwingungen versetzt werden, daß die beiden Kammbereiche einander durchdringen. In Fig. 2 ist diese Bewegungsmöglichkeit dadurch angedeutet, daß zwei Positionen der Elektrode 3, die eine ausgezogen, die andere gestrichelt dargestellt sind. Zwischen diesen beiden Positionen schwingt die Elektrode 3 und durchdringt dabei in ihrer Null-Stellung die Elektrode'2.The electrode 3 is at least in its front, with the teeth 7 equipped area perpendicular to the plane of the fixed electrode 2 movable. How shown schematically in Fig. 3, the z. B. be realized that the Electrode 3 as an oscillatable, band section-shaped, on its facing away from the teeth 7 Side firmly clamped component is formed, which is in its rest position located in the plane of the electrode 2. With the help of a magnetic drive 9 this can Electrode 3 brought into different positions or in such a way in vibrations be offset that the two ridge areas penetrate each other. In Fig. 2 is this possibility of movement is indicated by the fact that the electrode has two positions 3, one of which is drawn out, the other is shown in phantom. Between these The electrode 3 oscillates in both positions and penetrates it in its zero position the electrode '2.

Fig. 3 zeigt den Einsatz des erfindungsgemäßen "Kammkondensators" als Sonde für ein Gerät zur Messung des elektrischen Feldes. Die Elektroden 2 und 3 befinden sich gemeinsam mit dem Magnetantrieb 9 in einem Gehäuse 11 aus geeignetem Material. Die Elektrode 2 ist in einem relativ schmalen Vorderteil des Gehäuses 11 fest angeordnet Die Elektrode 3 ist als schwingfähiges Bauteil ausgebildet und auf der der Elektrode 2 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 11 fest eingespannt. Mit Hilfe des Magnetantriebs 9 ist die Elektrode 3 derart in Schwingungen versetzbar, daß die auf den einander zugewandten Seiten der Elektroden 2 und 3 befindlichen Zähne 5 und 7 einander durchdringen. In diesem Bereich sollte das Gehäuse möglichst schmal und lang ausgebildet sein, damit eine kompakte Sonde entsteht und der Magnetantrieb 9 die Feldmessung nicht stört. Eine Länge der Elektrode 3 von ca. 150 mm und eine Schwingungsamplitude von ca. 15 mm haben sich als zweckmäßig erwiesen.Fig. 3 shows the use of the "comb capacitor" according to the invention as a probe for a device for measuring the electric field. The electrodes 2 and 3 are located together with the magnetic drive 9 in a housing 11 made of a suitable Material. The electrode 2 is in a relatively narrow front part of the housing 11 fixedly arranged The electrode 3 is designed as a vibratory component and firmly clamped on the side of the housing 11 opposite the electrode 2. With the help of the magnetic drive 9, the electrode 3 can be made to vibrate in such a way that that located on the mutually facing sides of the electrodes 2 and 3 Teeth 5 and 7 penetrate each other. The housing should be in this area if possible be made narrow and long so that a compact probe is created and the magnetic drive 9 does not interfere with the field measurement. A length of the electrode 3 of approx. 150 mm and an oscillation amplitude of approx. 15 mm have proven to be useful proven.

Um ein elektrisches Feld mit dieser Sonde messen zu können, wird die Elektrode 3 in Schwingungen versetzt, indem der Oszillator 12 über den Verstärker 13 den Magnetantrieb 9 mit periodischen Impulsen versorgt, und die Sonde in das zu messende elektrische Feld derart eingebracht, daß die elektrischen Feldlinien etwa senkrecht auf den Elektroden 2 und 3 stehen. Eine zweckmäßige Frequenz ist 70 bis 80 Hz. Besonders günstig ist es, wenn diese Meßfrequenz gleichzeitig die Resonanzfrequenz der Elektrode 3 ist, so daß lediglich eine Resonanzanregung erforderlich ist. Infolge ihres ständigen Positionswechsels wird auf die Elektroden 2 und 3 eine ständig wechselnde Ladung influenziert. Über die aus dem Gehäuse 11 herausgeführten Leitungen 14 und 15 sind die Elektroden 2 und 3 durch einen Widerstand 16 miteinander verbunden, über den die influenzierten Ladungen fließen. Dadurch können am Widerstand 16 in ihrer Richtung wechselnde Spannungsimpulse abgenommen und im Verstärker 17 verstärkt werden. An den Verstärker schließt sich ein Bandpaß 18 zur Eliminierung eines eventuellen Netzbrumms an. Im Baustein 19 erfolgt eine Gleichrichtung des Wechselspannungssignals, so daß am Ausgang 21 ein der elektrischen Feldstärke des zu messenden elektrischen Feldes proportionales Gleichspannungssignal abgenommen werden kann. .In order to be able to measure an electric field with this probe, the Electrode 3 vibrated by the oscillator 12 via the amplifier 13 supplies the magnetic drive 9 with periodic pulses, and the probe into the The electric field to be measured is introduced in such a way that the electric field lines stand approximately perpendicular to electrodes 2 and 3. A convenient frequency is 70 to 80 Hz. It is particularly favorable if this measuring frequency is simultaneously the The resonance frequency of the electrode 3 is so that only a resonance excitation is required is. As a result of their constant change of position, electrodes 2 and 3 have a constantly changing charge influenced. About the lead out of the housing 11 Leads 14 and 15 are the electrodes 2 and 3 through a resistor 16 to each other connected through which the influenced charges flow. This allows for resistance 16 voltage pulses changing in their direction are picked up and in the amplifier 17 be reinforced. A bandpass filter 18 connects to the amplifier for elimination a possible mains hum. In block 19, the is rectified AC voltage signal, so that at the output 21 one of the electric field strength of the Electric field to be measured proportional DC voltage signal removed can be. .

Mit einer allein aus den Bausteinen 12 bis 19 bestehenden Meßelektronik wäre es nicht ohne weiteres möglich, die Richtung des zu messenden elektrischen Feldes festzustellen. Deshalb ist im Baustein 19 eine phasenrichtige Gleichrichtung der Wechselspannungsimpulse notwendig.With measuring electronics consisting solely of components 12 to 19 it would not be readily possible to determine the direction of the electrical to be measured Field. That is why there is a correct phase in module 19 Rectification the alternating voltage pulses necessary.

Das geschieht mit Hilfe des Schmitt-Triqgers 22, der ebenfalls vom Oszillator 12 über den Phasenschieber 23 angesteuert wird.This is done with the help of the Schmitt Triqger 22, which is also from The oscillator 12 is controlled via the phase shifter 23.

Die gesamte Meßelektronik ist lediglich als Blockschaltbild dargestellt. Sie ist an sich bekannt und unter dem Namen Lock-in-Verstärkung geläufig.The entire measuring electronics are shown only as a block diagram. It is known per se and known as lock-in reinforcement.

Fig. 4 zeigt eine Ausführung, bei der die (in Schwingungen versetzbare) Elektrode 7 durch eine Doppelelektrode 27 ersetzt ist. Sie besteht aus einem Träger 28 aus elektrisch isolierendem Material, der auf seinen beiden Seiten mit Metallbeschichtungen 29 und 30 versehen ist, welche die Elektroden bilden. Jede Elektrode 29, 30 stellt zusammen mit der Gegenelektrode 5 einen separaten Kammkondensator dar, der jeweils an eine- Meßelektronik gemäß Fig. 3 angeschlossen wird. Die Dicke der Elektrode 5 ist etwa doppelt so groß wie die Dicke der Doppelelektrode 27.Fig. 4 shows an embodiment in which the (vibratable) Electrode 7 is replaced by a double electrode 27. It consists of a carrier 28 made of electrically insulating material, which on both sides with metal coatings 29 and 30 which constitute the electrodes. Each electrode 29, 30 represents together with the counter electrode 5 represents a separate comb capacitor, each of which is connected to a measuring electronics according to FIG. The thickness of the electrode 5 is approximately twice as large as the thickness of the double electrode 27.

Mit der Doppelfeldsonde kann das elektrische Feld oberhalb und unterhalb der Sonde bestimmt werden.With the double field probe, the electric field can be placed above and below determined by the probe.

Der für die Verwendung als Sonde eines Gerätes zur Messung des elektrischen Feldes vorgeschlagene und beschriebene "Kammkondensator" ist an sich neu und stellt praktisch einen Kondensator mit veränderlicher Kapazität dar. Er kann überall dort Verwendung finden, wo eine periodisch oder auch (bei entsprechender Steuerung der Relativbewegung der Kämme oder bei entsprechender Einstellung der Lage der Kämme zueinander) aperiodisch oder stufenweise veränderliche Kapazität benötigt wird. Als Beispiel soll hier nur das Schwingkondensatorelektrometer erwähnt werden (vgl. Kohlrausch "Praktische Physik", 20. Auflage 1956, Band 2, S.14), das mit einem erfindungsgemäßen "Kammkondensator" ausgerüstet werden kann. Bei dieser Anwendung wird nicht ein elektrisches Feld gemessen, sondern es wird an den Kondensator eine zu messende Spannung angeleqt.The one for use as a probe of a device for measuring electrical Feldes proposed and described "comb capacitor" is new and represents practically a capacitor with variable capacitance. It can go anywhere Are used where a periodic or also (with appropriate control of the Relative movement of the combs or with an appropriate setting of the position of the combs to each other) aperiodically or stepwise variable capacity is required. As an example, only the oscillating capacitor electrometer should be mentioned here (cf. Kohlrausch "Practical Physics", 20th edition 1956, Volume 2, p.14), which with an inventive "Comb capacitor" can be equipped. In this application will not an electric field is measured, but rather one is applied to the capacitor measuring voltage applied.

Durch die zeitlich veränderliche Kapazität fließt dann in den Kondensator zuleitungen ein Wechselstrom, ohne daß die Meßspannung belastet wird.The capacitance, which changes over time, then flows into the capacitor supply lines an alternating current without the measuring voltage being loaded.

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Claims

Probe for a device for measuring the electric field CLAIMS Probe for a device for measuring the electric field, d u b e n g e c e n z e i c h n e t that it has two comb-like electrodes (2, 3), which are designed and arranged in such a way that they are in a periodic, in the area the rows of teeth are mutually penetrating relative movement displaceable.

2. Probe according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that one electrode (2) is fixed and the other (3) can be set in vibration is.

3. Probe according to claim 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the vibrating electrode (3) as a band section-shaped, on its side facing away from the teeth (7) a firmly clamped component is formed is.

4. Probe according to claim 2 or 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a magnetic drive (9) is provided to excite vibrations in the electrode (3) is.

5. Probe according to claim 2, 3 or 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the measuring frequency of the resonance frequency of the oscillating probe (3) is equivalent to.

6. Probe according to one of the preceding claims, d a d u r c h g I do not know that a of the electrodes as a double electrode (27) is formed.

7. A probe according to claim 6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the double electrode (27) consists of a carrier (28) made of insulating material, equipped on both sides with a metal layer (29, 30) forming the electrodes is.

8. Probe according to claim 6 or 7 and one of claims 2 to 5, d a d u r c h e k e n n n n e i c h n e t that the electrode which can be set in oscillation is the double electrode (27).

9. Probe according to claim 6, 7 or 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the distance between the two electrodes (29, 30) is about half as great like the strength of the counter electrode (5).

10. Device for measuring the electric field with a probe according to one of the preceding claims, d u r c h g e n n n n z e i c h n e t, that the electrodes (2, 3) are connected to one another via a resistor (16).

11. Apparatus according to claim 10, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that for the formation of a DC voltage signal proportional to the measured field strength a rectifier (19) for the AC voltage pulses picked up at the resistor (16) is provided.

12. Apparatus according to claim 11, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that for in-phase rectification one of the oscillator (12) for the magnetic drive (9) Schmitt trigger (22) controlled by a phase shifter (23) is provided is.

13. Capacitor with time-varying capacitance, its electrodes are movable relative to each other, that is, that the electrodes (2, 3) have rows of teeth (5, 7) designed in the manner of a comb, which are designed and assigned to one another that one in the area of Rows of teeth penetrating each other relative movement is possible.