DE3750362T2

DE3750362T2 - Gerät und Verfahren zur Messung des absoluten elektrischen Potentials.

Info

Publication number: DE3750362T2
Application number: DE3750362T
Authority: DE
Inventors: Jun Peterson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-11-13
Filing date: 1987-10-19
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2007-10-20
Also published as: US4839581A; RU1838795C; EP0271191B1; EP0271191A1; JP2975369B2; JPS63138273A; DE3750362D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Bestimmung eines elektrischen Potentials. Sie findet im besonderen Anwendung beim Bestimmen eines wahren oder absoluten Potentials und Messen anderer Potentiale auf einer absoluten Skala. Es ist zu berücksichtigen, daß die vorliegende Erfindung zum Überwachen des Potentials und von Veränderungen im Potential bezüglich einer absoluten Skala verwendbar ist. Es können das Potential des Erdbodens oder anderer Objekte wie Flugzeugen, Fluid- oder Kornbehältern, chemischen Reaktionstanks, Krankenhauspatienten od. dgl. gemessen werden.
Der gegenwärtige Stand der Technik der Potentialmessung besteht aus dem Vergleich zweier Potentialquellen durch Beobachten der zwischen ihnen vorhandenen Spannungsdifferenz und der Annahme, daß eine von ihnen entweder einen willkürlich zugewiesenen Nullwert oder einen Wert ungleich Null aufweist. Hierdurch erhält man Kenntnis eines Gradienten oder einer Spannungsdifferenz ohne Kenntnis des wahren oder absoluten Potentials der einzelnen Quellen. Der Einfachheit halber wird häufig der Erdboden als Nullreferenz betrachtet, eine auf die frühen Tage der Elektrizitätslehre zurückgehende Konvention. Mathematisch ist das elektrische Potential durch die Arbeit bestimmt, die benötigt wird, um eine Ladungseinheit aus dem Unendlichen an den Ort des Potentials zu bringen, ohne ihren Wert zu stören. Auch wenn unendlich als Nullpotential definiert ist, wird bei üblicher Festlegung die Erde als eine einfachere lokale Nullpotentialreferenz betrachtet. Es kann jedoch gezeigt werden, daß das absolute Potential der Erde nicht Null ist.
Instrumente, die in einem Luftfahrzeug oder anderen von der Erde isolierten Objekten angeordnet sind, werden üblicherweise gegenüber dem isolierten Objekt "geerdet". Ein Luftfahrzeug tendiert jedoch dazu, das Potential der umgebenden Atmosphäre anzunehmen. Obwohl dem isolierten Objekt das Potential mit dem Wert Null zugeordnet wird, hat es häufig ein von dem der Erde abweichendes Potential. Beispielsweise kann bei schönem Wetter ein Luftfahrzeug in Reiseflughöhe ein um 100.000 Volt von dem der Erdoberfläche abweichendes Potential haben. Wenn das Luftfahrzeug eine aufgeladene Wolke eines heftigen Gewitters durchquert, kann das Potential des Luftfahrzeugs und seiner Insassen in wenigen Sekunden oder Minuten eine Potentialänderung von 100.000.000 Volt erfahren.
Luftfahrzeuge im Flug sind aufgrund von Reibungswechseln unterschiedlichen aerodynamischen Kräften ausgesetzt, wenn sich das Potential der Luftfahrzeugoberfläche ändert. Große Potentialänderungen können wesentlich zu dem Windscherphänomen beitragen. Ein auf ein elektrostatisches Potential und seine Änderung ansprechendes Detektorsystem kann vor bevorstehenden Windscherungen warnen und solche plötzlichen Ereignisse ausgleichen. Die gegenwärtig zum Messen von Raumladungsgradienten verwendeten Vorrichtungen werden nicht dieselbe Information liefern.
Zahlreiche kostspielige Unfälle ereignen sich jedes Jahr beim Transport und der Lagerung von explosiven und brennbaren Gasen und Flüssigkeiten. Elektrische Funken können während Transport und Handhabung explosiver Fluide und Pulver Explosionen auslösen, wie etwa in Kornlagersilos, im Kohlebergbau, beim Wiederbetanken in der Luft, während der Reinigung eines Tankes u. dgl. Elektrische Funken können auch Blitzfeuer in Hochdrucksauerstoffkammern während des Anlegens eines Tankers u. dgl. verursachen. Die Kenntnis der wahren statischen Ladungsverteilung kann eine wesentliche Hilfe bei der Verringerung des Verlustes von Leben und Besitz und der Entwicklung von Sicherheitsverfahren sein.
Das Potential der Erde ist nicht konstant. Vielmehr variiert es mit Zeit, Ort und natürlichen Phänomenen. Es wurden bereits Beobachtungen des elektrischen Stromflusses durch die Erde und ihre Atmosphäre durchgeführt. Diese tellurischen Stromflüsse manifestieren sich in Übertragungsproblemen bei langen Telegrafen- und Telefonleitungen, besonders bei Leitungen, die durch Erdregionen mit deutlich unterschiedlichen Potentialen führen. Diese Erdströme würden natürlich nicht existieren, wenn die Erde ein einheitliches und konstantes Potential hätte.
Seit dem achtzehnten Jahrhundert haben die Beobachtungen von atmosphärischer Elektrizität, Gewittern, dem Nordlicht und des vertikalen Schönwettergradienten uns gezeigt, daß abhängig von Zeit und Ort eine beachtliche Veränderung des relativen Potentials der Atmosphäre, der Wolken und der Erdoberfläche auftritt. Heute ist es allgemein anerkannt, daß die Oberfläche der Erde relativ zur sich fünfzigtausend Meter höher befindlichen Elektrosphäre, eine Negativität von etwa vierhunderttausend Volt aufweist. Blitze beweisen, daß Ladungskonzentrationen mit einem Potential von Millionen von Volt innerhalb der Atmosphäre auftreten. Schwärme von energetisch geladenen Partikeln beregnen die Erde von der Sonnenkorona und von außerhalb unseres Sonnensystems, was darauf hindeutet, daß sich das Potential der Erde mit den Gezeiten, Wetterfenstern, magnetischen Stürmen, Jahreszeiten und Sonnenzyklen ändern kann.
Es wurde vermutet, daß solche Potentialänderungen die Landwirtschaft, Gesundheit, den Transport, die Industrie usw. beeinflussen. So hat die Konvention, das Erdbodenpotential als Nullreferenz zu verwenden, Zusammenhänge zwischen Änderungen des elektrischen Potentials und beobachteter Phänomenen verdeckt.
Es existiert eine Vielzahl industrieller Prozesse, die unter Effekten vom Typ des "Vollmondes" zu leiden scheinen. Von der Aufbaurate einer Boilerskala bis zur Polymerisationsrate kolloidaler Systeme, passiert etwas, was bis jetzt noch nicht erklärt werden konnte. Es können Solarwinde in einem 28-Tage-Zyklus ähnlich dem des Mondes sein. Die Blutungsrate während einer Operation, ein Migräneanfall und neurologische Verwirrungen zeigen zyklische Datenmuster, welche manchmal aber nicht immer einem Mondverhalten folgen.
Studien wurden unternommen, um schwache langsam wechselnde magnetischer Felder mit biologischen und physiologischen Aktivitäten zu verbinden. Keine zufriedenstellende Verbindung oder kausale Kette wurde als Mechanismus für das, was passiert, ermittelt. Es gibt eine Verbindung zwischen einer Änderung in pH-Aktivitäten und vielen derartigen Effekten. Der pH-Wert stellt eine Form von Ladungskonzentration oder -verteilung dar, welche in der Natur häufig statisch ist. Ein Wissen über ein absolutes Potential und seine langsamen Änderungen mit der Zeit könnte vielleicht diese Effekte erklären.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen von Änderungen im elektrischen Erdbodenpotential dar, welche mit Potentialmessungen vergleichbar sind, die zu unterschiedlichen Zeiten oder Orten mit unterschiedlichem Bodenpotential durchgeführt wurden.

Zusammenfassung der Erfindung

In einer ersten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Erdbodenpotentials bereit, bei welchem eine erste Elektrode (C) innerhalb einer ersten hermetisch abgedichteten, elektrisch isolierenden Kapsel (A) angeordnet wird, wobei die erste Kapsel (A) von einem ersten elektrisch leitenden Käfig (B) umgeben ist, welcher mit dem zu messenden Erdbodenpotential elektrisch verbunden ist;
das Volumen der ersten Kapsel (A) um einen vorbestimmten Betrag geändert wird, um die Ladungsdichte innerhalb der ersten Kapsel (A) zu ändern und eine Ladungsverschiebung zu oder von der ersten Elektrode (C) zu erzeugen;
die Ladungsverschiebung gemessen wird; und
das elektrische Erdbodenpotential aus der gemessenen Ladungsverschiebung errechnet wird.
Die Ladungsverschiebung kann z. B. entweder zwischen der Elektrode und dem Käfig oder zwischen zwei gleichen abgeschirmten Elektroden gemessen werden.
In einer zweiten Ausführungsform stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Messen eines Erdbodenpotentials bereit mit:
einer ersten Elektrode (C), welche innerhalb einer ersten isolierenden Kapsel (A) angeordnet ist, wobei die Kapsel von einem ersten elektrisch leitenden Käfig (B) umgeben ist, welcher mit dem zu messenden Erdbodenpotential elektrisch verbunden ist;
Mitteln zum Verändern (E), welche wirksam mit der ersten Kapsel (A) verbunden sind, um das Volumen der ersten Kapsel (A) um einen vorherbestimmten Betrag zu ändern und hierdurch die Ladungsdichte innerhalb der ersten Kapsel (A) von einem ersten Wert zu einem zweiten Wert zu ändern und eine Ladungsverschiebung zu oder von der ersten Elektrode (C) zu erzeugen; und
Mitteln zum Messen (D) des ersten und zweiten Wertes, wodurch das Erdbodenpotential berechnet wird.
Die Mittel zum Messen (D) können Mittel zum Messen eines Stromes einschließen, wie etwa einem Strom zwischen der Elektrode und dem Käfig oder zwischen zwei Elektroden, die in gleichartigen isolierenden Kapseln angeordnet sind.
Die US-A-3 292 059 (Woods) offenbart einen Wandler zur Messung einer Kraft- oder Druckänderung. Beim Gebrauch dieses Wandlers ändern Druckunterschiede den physikalischem Abstand zwischen zwei Platten eines Kondensators und folglich den Ladungstransfer oder das Potential, welches zwischen diesen anliegt. Wenn die Druckänderung oder die physikalische Distanz zwischen den Kondensatorplatten nach Woods auf einen vorbestimmten Betrag begrenzt ist, kann der Druckwandler nur einen einzigen Druck messen. Im Unterschied dazu kann die vorliegende Erfindung einen großen Bereich von Variationen des Erdbodenpotentials messen, auch wenn das Volumen der Kapsel in jedem Zyklus um denselben vorher ausgewählten Betrag geändert wird.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, daß sie das Messen des Erdbodenpotentials ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, daß sie die Messung von Raumladungen relativ zu einer absoluten Referenz erlaubt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, daß sie ein Potential auf einer absoluten Skala mißt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen leichten Vergleich von zwei oder mehr Potentialmessungen, welche gleichzeitig an örtlich entfernten oder nicht verbundenen Stellen ermittelt werden.
Außerdem ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß sie einen Vergleich zwischen Änderungen im Erdpotential und Phänomenen, Aktivitäten, Prozessen usw., welche durch Ladungsverteilung beeinflußt werden, ermöglicht.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute beim Lesen und Verstehen der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen erkennbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung kann in verschiedenen Teilen und Anordnungen von Teilen und in verschiedenen Schritten und Abfolgen von Schritten ausgestaltet werden. Die Zeichnungen dienen nur der Darstellung bevorzugter Ausführungsformen und sollten nicht als die Erfindung begrenzend aufgefaßt werden.
Fig. 1 ist eine Diagrammdarstellung einer Vorrichtung zur Potentialmessung;
Fig. 2 ist eine Diagrammdarstellung einer anderen Ausführungsform der Potentialmeßvorrichtung;
Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein inneres Volumen verändert wird;
Fig. 4 ist eine Diagrammdarstellung einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung zur Potentialmessung mit einem veränderlichen Raumladungsvolumen;
Fig. 5 ist eine andere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Paar von Volumen, welche eine Raumladung umgeben, komplementär verändert werden;
Fig. 6 ist eine Diagrammdarstellung einer anderen alternativen Ausführungsform mit komplementären Raumladungsvolumenwechseln;
Fig. 7 ist noch eine andere alternative Ausführungsform mit komplementären Raumladungsvolumenwechseln;
Fig. 8 ist eine andere alternative Ausführungsform mit zahlreichen Raumladungsvolumenwechseln;
Fig. 9 ist eine andere alternative Ausführungsform mit einer Vielzahl wechselnder Raumladungsvolumina; und
Fig. 10 ist eine andere alternative Ausführungsform, die Einzelheiten der elektronischen Meßschaltkreise vorsieht.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Bezugnehmend auf die Figuren weist eine hermetisch abgedichtete Kapsel A einen inneren Raum auf, welcher hermetisch gegenüber der Atmosphäre abgedichtet ist. Eine Abschirmung gegen elektrische Einflüsse, wie ein Faraday'scher Käfig B, umgibt die Kapsel A, um eine elektrische Abschirmung gegenüber elektrischen Feldern und Gradienten in der umgebenden Atmosphäre zu schaffen. Eine oder mehrere Elektroden C sind im Inneren der Kapsel zum Feststellen eines elektrischen Potentials angeordnet. Ein Mittel D zum Messen mißt einen Stromfluß zwischen dem Käfig B und der Elektrode C oder zwischen zwei Elektroden, wenn die Raumladungsdichte zu einem Gleichgewichtszustand zurückkehrt. In einigen Ausführungsformen verändert wahlweise ein Mittel zur Veränderung der Raumladung E die Verteilung der Raumladungsdichte im Kapselinnern, um eine Störung des Gleichgewichtszustands zu verursachen. In anderen Ausführungsformen ändern sich die Raumladungsdichte und das an dem Käfig anliegende Potential und der Stromfluß, welcher die an den Elektroden anliegende Raumladung in den Gleichgewichtszustand zurückbringt, wird gemessen.
Wenn eine hohle geschlossene leitende Kugel im freien Raum angeordnet ist, ist das Innere der Kugel wirksam von jedem in dem Raum vorhandenen Potentialgradienten abgeschirmt. Nach einer ausreichenden Zeitspanne, um zu ermöglichen, daß sich durch die Leitung der Ladung ein statisches Gleichgewicht einstellt, sind das Potential der Kugel und ihres Inhalts so wie das durchschnittliche Potential des von der Kugel beanspruchten Volumens, wenn sie nicht da wäre. Im statischen Zustand und basierend auf dem "l/r²" Coulomb'schen Kraftgesetz, wird dieses Potential im ganzen Volumen den gleichen Betrag aufweisen. In Übereinstimmung mit der Poisson'schen Gleichung für ein Nicht-Null-Potential muß überall innerhalb des Volumens eine gleichmäßige Volumenladungsdichteverteilung herrschen. Alle elektrischen Kraftlinien enden innerhalb der Kugel und dort existiert kein Gradient und deshalb kein elektrischer Intensitätsvektor. Aus diesem Grund sind die konventionellen Methoden des Standes der Technik zur Erkennung einer Spannungsdifferenz oder eines Spannungsgradienten nicht in der Lage, diese einheitlichen Ladungsverteilungen zu identifizieren oder zu messen. Um die vorliegende Erfindung zu verstehen, stelle man sich vor, daß wir uns in einer sehr großen hohlen leitenden Oberfläche eines konstanten Potentials befinden, worin die Volumenladungsdichte homogen und isotrop ist. Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, die Ladungsdichte und den Wert des damit verbundenen absoluten elektrischen Potentials an unserem Ort zu identifizieren.
Seit der Zeit von Michael Faraday wurde angenommen, daß Kraftlinien an Ladungsquellen enden. Es wurde erwartet, daß diese Quellen innerhalb des Volumens der Kugel in derselben Menge pro Volumeneinheit verteilt sind, wie in dem Raum außerhalb der Kugel. Es wurde angenommen, daß derselbe Zustand innerhalb einer geschlossenen leitenden Oberfläche B vorliegt, welche die vorhandenen Meßvorrichtungen aufnimmt. Für diese Oberfläche ist der Fluß hinein und der Fluß heraus gleich groß, aber verläuft in entgegengesetzter Richtung. Zum Zweck der Messung heben sich diese durch Superposition auf. Obwohl sie keinen Feldern mit externem Ursprung ausgesetzt sind, erfahren die Ladungsmittelpunkte oder Quellen der Ladungskonzentration eine konstante thermische und Brown'sche Bewegung, welche für ihre elektromagnetische Kopplung und nachfolgenden verteilenden Kräften verantwortlich ist. Somit wirken die Ladungsquellen in ähnlicher Weise auf Luftmoleküle, die einen einheitlichen Luftdruck innerhalb einer geschlossenen Kammer schaffen. Tatsächlich können dies in den meisten Fällen geladene Moleküle sein.
Es ist eine allgemein anerkannte Regel, daß sich innerhalb eines geladenen Leiters keine Ladung befindet. Die Ladung ist ausschließlich auf der Oberfläche des Leiters angeordnet. Genauer wäre es, festzustellen, daß sich innerhalb des Leiters keine feststellbare Ladungskonzentration befindet, weil innerhalb des Leiters weder ein Potentialgradient noch eine elektrische Intensität vorhanden ist. Im 19. Jahrhundert wurde der Erdboden als Nullpotential definiert.
Lange wurde akzeptiert, daß die Quelle elektrischer Kraft, wie in dem Raum außerhalb einer geladenen Kugel beobachtet, mathematisch mit gleichem Ergebnis behandelt werden kann als wenn sie: (1) ganz auf der Oberfläche angeordnet wäre, (2) so angeordnet wäre, als ob sie vollständig in einem zentralen Punkt konzentriert wäre, oder (3) gleichmäßig über das Volumen der Kugel verteilt wäre. Es wurde bewiesen, daß dasselbe für eine Hohlkugel gilt, oder für den Fall einer ungleichmäßigen Verteilung derselben gesamten Ladung innerhalb der Hohlkugel. Die Form der geschlossenen Oberfläche ist nicht auf die einer Kugel begrenzt, um die Flußkonzentration aufzunehmen. Jede geschlossene leitende Oberfläche, z. B. eine Gauss'sche Oberfläche, dient als ein Gradientenabschirmung, und folglich als äußeres Gehäuse der absoluten Potentialvorrichtung.
Weil die Meßtechniken des Standes der Technik auf der Feststellung der Spannungsdifferenz oder des Potentialgradienten beruhten, wurde direkt innerhalb eines Leiters keine einheitliche Ladungsdichte beobachtet, und die Vereinbarung, daß alle Ladung auf der äußeren Oberfläche liegt, gibt für die meisten Zwecke eine praktisch anwendbare Erklärung. Das Konzept der Superposition von Kräften beschränkt die Beobachtung eines Gradienten, welcher durch eine aufgenommene gleichmäßige Ladungsverteilung erzeugt wird, auf seine Grenzen und das außerhalb Liegende.
Weil die totale Ladungskonzentration auf einem mathematischen Punkt zu einem unendlichen Potential in diesem Punkt führen würde, wird die Wahl einer gleichmäßigen Verteilung über das Volumen des Leiters und seines hohlen Innern bevorzugt. Zur Vereinfachung der Erklärung wurden die Effekte der Funktion der Leiterarbeit, der Temperatur und die Wahl des Materials, Gas oder Vakuum innerhalb des hohlen Raumes in der vorliegenden Diskussion vermieden. Unter dem Quantenaspekt von Wellenfunktionen innerhalb der Volumengrenzen werden dieselben praktischen Ergebnisse erzielt, wie durch Berücksichtigen der Anwendung einer klassischen Elektronentheorie.
Die hohle leitende Oberfläche B schirmt den Effekt der inneren elektrischen Intensität von der Beeinflussung des Raumäußeren auf den Leiter ab. So kann eine fixierte Gesamtladung, welche innerhalb der geschlossenen Oberfläche enthalten ist, geteilt, umherbewegt und durch mechanische oder magnetische Mittel konzentriert werden, ohne das Gesamtpotential des Leiters oder das seiner Umgebung zu verändern. Diese Neuverteilung der Ladung erzeugt Raumladungskonzentrationen von unterschiedlicher Ladungsdichte. Dabei existiert eine Potentialdifferenz zwischen diesen Raumladungen, die gemessen werden kann oder einen Strom in einen Meßkreis fließen läßt. Es wird angenommen, daß keine Ladung in das als Folge dieser Bewegung durch den Leiter aufgenommene Volumen eintritt oder es verläßt. Diese Funktion wird durch hermetisch dichtende und elektrisch isolierende Beschichtungen, Teilungen oder Sperren A erfüllt. Der Grad der Isolation und Begrenzung des Ladungsflusses zwischen dem Leiter und dem äußeren Raum wird ausgewählt, um die Bewegungsrate der Ladung innerhalb des Leiters anzupassen, damit sich ein Gleichgewichtszustand mit einem veränderlichen Potential des äußeren Raumes einstellt und damit eine Störung der Meßgenauigkeit minimiert wird. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, die Größe des Stromflusses zwischen dem Leiter und seiner Umgebung zu begrenzen, um die Gefahr des Entzündens durch elektrische Funken zu reduzieren. In anderen Fällen kann es notwendig sein, Methoden der Stromverstärkung zu verwenden, wie Ionenquellen, Punktelektroden und ähnliches, um ein schnelleres Erreichen eines Gleichgewichts zu fördern, wobei der Raum gemessen wird. Dies gilt auch für das Koppeln von Elektroden.
Innerhalb des Hohlraumes des Leiters erzeugt die Bewegung von ladungsisolierenden Teilbereichen getrennte Abschnitte des Gesamtvolumens. Diese Teilvolumina weisen unterschiedliche Ladungsdichtewerte auf. Elektroden C, die in diesen Teilvolumina angeordnet sind, werden auf gleiche Weise veranlaßt, ein unterschiedliches Potential anzunehmen, wobei die Differenz durch herkömmliche Mittel gemessen werden kann. Obwohl die Messung bei teilweiser Isolierung dieser Teilvolumina durch unvollständige elektrisch isolierte Grenzen, wie Luft oder Gas, möglich ist, verwendet die bevorzugte Ausführungsform eine so weit wie möglich möglich isolierte Grenze und, optional, eine leitende Sperre zusätzlich zu der isolierenden. Dies dient auch dazu, die Ladungskonzentrationen von Induktionen durch von einem Motor oder Detektionsverstärkerkomponenten herrührenden Feldern abzuschirmen. Je besser die Kopplung einer Elektrode und die Volumenisolierung ist, desto mehr Ladung ist für den Detektionskreislauf verfügbar.
Folglich wird eine festgelegte Ladungsmenge in einem festgelegten Volumen innerhalb dieses Volumens neu verteilt, um verschiedene Raumladungsdichten in ausgewählten Teilbereichen zu erzeugen. Diese können durch den Unterschied in ihrem Potential festgestellt werden. Dieser Prozeß kann umgekehrt und wiederholt werden, um ein wechselndes Stromsignal zu erzeugen, welches, wenn es verstärkt wird, einem konstanten absoluten Potential der geschlossenen leitenden Oberfläche, welche das begrenzte Volumen festlegt, gleichgesetzt werden kann.
Mit besonderem Bezug auf Fig. 1, schließt die Kapsel A eine flexible Einlage 10 ein, die eine innere Oberfläche des Faraday'schen Käfigs B und eine äußere Oberfläche eines Kolbens 12 des Mittels E zum Verändern der Raumladungsdichte umgibt. Eine Elektrode 14 ist in dem inneren Volumen des Einsatzes 10 befestigt. Die Mittel D zum Messen des Potentials schließen einen Differential-Verstärker-Schaltkreis 16, welcher mit der Elektrode 14 und dem Faraday'schen Käfig B verbunden ist, ein. Ein Meßgerät oder andere Anzeigemittel 18 sind mit dem Differential-Schaltkreis 16 verbunden, um eine ablesbare Anzeige der gemessenen Potentialänderung zu erzeugen.
Wenn der Kolben 12 nach innen bewegt wird, wobei der Einsatz gestreckt wird, wird das innere Volumen der Kapsel zusammengezogen, wobei die Ladungsdichte ansteigt. Umgekehrt wächst das innere Volumen und die Ladungsdichte sinkt, wenn der Kolben herausgezogen wird. Die Änderungen in der Ladungsdichte verursachen entsprechende Änderungen in der Potentialdifferenz zwischen der Elektrode 14 und dem Faraday'schen Käfig B. Die Potentialdifferenz V ausgedrückt in Volt ist gegeben durch:
ΔV = kπρ/&epsi;ΔV
wobei ρ die Raumladungsdichte ist, &epsi; die Permeabilität, Δv die Volumenänderung und k eine Konstante, die von der Geometrie der Kapsel und der Elektrode abhängt. Zu Anfang sind die Raumladungsdichte und das Potential an der Elektrode 14 und an dem Faraday'schen Käfig B im Gleichgewicht. Hätte die Elektrode 14 ein absolutes Nullpotential, so wäre die Raumladungsdichte auf ähnliche Weise Null. Wenn jedoch die Elektroden 14 und der Faraday'sche Käfig B zu Anfang am Erdboden wären, so ist die Ladungsdichte in dem eingeschlossenen Volumen ungleich Null. Durch Kenntnis der Volumenänderung kann der Wert der Konstanten k experimentell für die aktuelle Geometrie der Kapsel und Elektrode bestimmt werden.
Eine Kalibrierung des Gerätes zur Messung eines absoluten Potentials kann durch Verwendung einer bekannten Spannungsquelle durchgeführt werden, die zwei oder mehr unterschiedliche Spannungswerte relativ zum Erdboden bereitstellen kann. Diese Spannungen werden sequentiell mit dem äußeren leitenden Schutzschild oder Käfig B des Gerätes verbunden. Der Unterschied im Ausgangssignal, welcher durch den Meßschaltkreis D angezeigt wird, wird bis zu dem Punkt extrapoliert, an dem ein Nullausgang erwartet wird, d. h. eine Nulladungsverteilung innerhalb des Meßvolumens. Es kann notwendig sein, den Offset der Vorverstärkereingangsspannung einzustellen, um Fehler zu kompensieren, die durch ungleiche Bauteile mit unterschiedlichen Arbeitsfunktionen hervorgerufen werden. Der Nullpunkt eines mit Wechselstrom verbundenen Verstärkers kann durch Kurzschließen des Vorverstärkereinganges eingestellt werden. Es kann hilfreich sein, den Eingangslastwiderstand mit einer anderen einstellbaren Vorspannung als der Erdung der Stromversorgung zu verbinden, so daß ein Null- oder ein Minimal-Signal eingestellt werden kann, um das Entfernen eines falschen Signalfehlers anzuzeigen. In dem Meßkreis können Einstellmittel zur Kalibrierung von Verstärkung und Offset integriert sein. Potentialablesungen können entweder Unterschiede von einer Referenz wie etwa dem Erdboden sein, oder absolut bezüglich eines Ausgangs, der ohne Ladungsneuverteilung in dem Leiter Null anzeigen würde. Es kann wünschenswert sein, Temperatur-, Druck-, Stromversorgungs- und andere Korrekturverfahren zu integrieren, um eine stabile genaue Leistung unter unterschiedlichen Bedingungen zu erhalten. Eine eingebaute Standardkalibrierung für die Elektronik kann hilfreich sein.
Unter Bezug auf Fig. 2 ist die Kapsel A eine starre isolierende Struktur 20, z. B. Kunststoff oder Keramik, die eine hermetische Dichtung schafft. Die Mittel E zum Verändern der Raumladungsdichte schließen einen piezoelektrischen Kristall 22 ein, welcher durch eine Fluidkopplung 24 mit einem beweglichen Diaphragma 26 verbunden ist. Durch Anlegen elektrischer Impulse an den piezoelektrischen Kristall mit einem Steuerschaltkreis 28 wird das Diaphragma 26 dazu veranlaßt, mit einer bekannten Rate und einem bekannten Grad zu vibrieren. Die Vibration des Diaphragmas verändert das Volumen in der isolierenden Kapsel 20, wodurch die Raumladungsdichte geändert wird. Ein Meßschaltkreis D mißt Strom oder Ladungsfluß zwischen einem inneren Faraday'schen Käfig 30 und der Elektrode C, d. h. eine Potentialänderung. Ein Recorder 32 zeichnet eine wieder abspielbare Aufzeichnung der gemessenen Potentialänderungen und der korrespondierenden Volumenänderungen auf. Ein äußerer Faraday'scher Käfig 34 schirmt den inneren Käfig 30 und andere Bauteile ab.
Mit Bezug auf Fig. 3 schließt die isolierende Kapsel A ein Glasrohr 40 ein, welches an einem oberen Ende abgedichtet und durch eine Kapillare oder einen begrenzten Rohrabschnitt 42 mit einem abgedichteten Reservoir 44 verbunden ist. Die Kapsel enthält ein schweres Fluid 46, wie Quecksilber, so daß ein Vakuum oder ein Bereich 48 geringen Druckes an der Spitze des Rohres festgelegt ist. Die Mittel E zum Verändern einer Raumladungsdichte weisen eine Pumpe 50, welche den Druck in dem abgedichteten Reservoir 44 ändert, auf, um das Volumen des Bereiches 48 geringen Druckes zu verringern und zu vergrößern. Die Elektrode C weist eine Nadelelektrode 52 auf, die in dem Bereich geringen Druckes angeordnet ist. Eine Pumpensteuerung 54 veranlaßt zyklisch, die Pumpe 50, den Druck und damit das Volumen und die Raumladungsdichte des Bereiches 48 zu verringern und zu vergrößern.
Das Quecksilber oder ein anderes schweres Fluid 46 ist mit dem Faraday'schen Käfig B verbunden. Ein einheitlich verstärkender Differential-Verstärker 56 ist mit der Elektrode 52 und dem Faraday'schen Käfig verbunden, um die Potentialdifferenz zwischen diesen zu messen. Ein hoher Widerstand 58 ist zwischen den Eingängen und dem einheitlich verstärkenden Verstärker geschaltet, um dazwischen unabhängig von dem aktuellen inneren Widerstand des einheitlich verstärkenden Verstärkers einen vorhersehbaren elektrischen Widerstand bereitzustellen. Während die Pumpensteuerung 54 die Pumpe zyklisch antreibt, so daß das schwere Fluid zwischen der Ebene von Niveaudetektoren 60 als einem Extrem und dem Berühren der Elektrode 52 als anderem Extrem zykliert, mißt ein Meßschaltkreis 62 den Stromfluß zwischen dem Käfig B und der Elektrode 52, wenn die Raumladung zum Gleichgewichtszustand zurückkehrt. Ein Recorder 64 zeichnet die korrespondierenden Volumenänderungen und Potentialstromflüsse auf. Wie oben kann der Stromfluß zu einem Maß des Potentials auf einer absoluten Potentialskala, zu einem Maß der zeitlichen Änderung des relativen Potentials des Käfigs B usw. umgewandelt werden.
Es ist anzuerkennen, daß die vorliegende Erfindung unabhängig davon funktioniert, ob der Bereich 48 geringen Druckes ein Vakuum oder ein isolierendes Gas ist. Weil jedoch Quecksilberdampf in dem Bereich 48 und Quecksilber 46 einen Stromflußpfad zwischen der Elektrode und Erde erzeugen kann, kann optional ein Isolator auf der oberen Oberfläche des schweren Fluides 46 angeordnet werden.
Unter Bezug auf Fig. 4 ist die Kapsel A ein kugelförmiges expandierbares Element 70. Die Elektrode C ist eine hohle Metallkugel 72, welche in der expandierbaren Blase 70 angeordnet ist. Der Faraday'sche Käfig B ist ein abgedichteter Metallkäfig 74, welcher die Blase 70 umgibt. Durch wahlweises Umverteilen des Druckes in dem Faraday'schen Käfig, um den unmittelbar die Blase 70 umgebenden Druck zu erhöhen und zu senken, wird die Blase veranlaßt, sich auszudehnen und zusammenzuziehen, wobei sich das hierin festgelegte Volumen und damit die Raumladungsdichte ändert. Ein Differentialmeßschaltkreis D mißt den von der Raumladungsdichte abhängigen Strom zwischen dem Faraday'schen Käfig 74 und der kugelförmigen Elektrode 72. Optional kann der Käfig B zu der Atmosphäre hin entlüftet werden, um atmosphärische Druckänderungen zu messen oder er kann mit einer anderen zu messenden Druckquelle verbunden werden.
Mit Bezug auf Fig. 5 ist die Kapsel A ein isolierender Einsatz 80, welcher hierin ein hermetisch abgedichtetes Volumen aufweist. Die Elektroden C weisen einen ersten abgedichteten metallischen Balg 82 und einen zweiten abgedichteten metallischen Balg 84 auf, welche in einem isolierenden Verhältnis zueinander in der Kapsel 80 befestigt sind. Die Mittel E zum Verändern der Ladungsdichte weisen wenigstens einen Linearmotor auf, welcher alternierend einen der Balge komprimiert, wenn der andere expandiert wird und umgekehrt. In dieser Weise ändert sich das Volumen im Inneren der Elektrodenbalge zyklisch in gleicher und gegenüberliegender Weise. Die Mittel D zur Potentialmessung schließen einen Differential-Meßschaltkreis 88 ein, welcher den die Raumladung ausgleichenden Stromfluß zwischen der ersten und zweiten Balgelektrode 82, 84 mißt.
Noch genauer, mißt der Differential-Schaltkreis 88 einen Stromfluß zwischen den balgartigen Elektroden, wenn die eine expandiert und die andere sich zusammenzieht. Weil der Strom wechselnd und zyklisch nur zwischen den zwei Elektroden und nicht zu dem Faraday'schen Käfig fließt, wird das durchschnittliche absolute Potential der Elektroden gemessen, welches im Gleichgewichtszustand dasselbe ist wie das Potential des Faraday'schen Käfigs B. Wenn beide Balgelektroden anfangs dasselbe Potential haben, werden die Änderungen in der Stärke des gemessenen Stromes im allgemeinen proportional zu Änderungen in der Raumladung sein und damit zu dem die beiden Balge umgebenden Potential auf einer absoluten Skala. Je höher das Potential auf der absoluten Skala ist, desto größer ist der gemessene Strom. Abwechselnd können die Balge abgestimmt zyklieren und parallel an demselben Eingang des Differentialverstärkers angeschlossen sein. Der andere Eingang kann mit dem Käfig B verbunden sein, um eine Änderung des Käfigpotentials zu messen.
Mit Bezug auf Fig. 6 weist die Kapsel A eine äußere isolierende Wand 90 und eine bewegliche Sperre 92 auf, welche das Innere der Kapsel in ein erstes inneres Volumen 94 und ein zweites inneres Volumen 96 teilt. Die Elektrodenmittel C schließen einen ersten metallischen Becher 98 ein, welcher in dem ersten inneren Volumen angeordnet ist, und einen zweiten Elektrodenbecher 100, welcher in dem zweiten inneren Volumen angeordnet ist. Die Mittel E zur Änderung der Ladungsdichte schließen einen Motor oder ähnliches zum zyklischen Vor- und Zurückbiegen der Sperre 92 ein, so daß eines der inneren Volumina um denselben Betrag komprimiert wird, um den das andere expandiert wird. Diese komplementären Änderungen der inneren Volumina bewirken das Fließen eines zyklischen Stroms zwischen den Elektroden durch einen Widerstand 102. Ein Differenzschaltkreis 104 mißt die Spannung über den Widerstand 102, wobei die Spannung mit dem durchfließenden Strom variiert und damit die Raumladungsdichte. Wieder gilt, je größer das absolute Potential der Elektroden ist, desto größer ist der Strom, desto größer ist folglich die gemessene Potentialdifferenz.
Mit Bezug auf Fig. 7 ist die Kapsel A ein Zylinder 110 mit geschlossenen Enden eines isolierenden Materials. Die Elektrodenmittel C umfassen eine erste Elektrode 112, welche an einem Ende des Zylinders angeordnet ist, und eine zweite Elektrode 114, welche an dem anderen Ende des Zylinders angeordnet ist. Die Mittel E zur Änderung der Ladungsdichte weisen einen Kolben 116 auf, welcher gleitend und abdichtend in dem Zylinder befestigt ist. Ein Antriebsmittel läßt den Kolben vor und zurück in Richtung der ersten und zweiten Elektroden oszillieren, um die Raumladungsdichte in dem Käfig B umzuverteilen. Auf diese Weise wird ein inneres Volumen zur einen Seite des Kolbens um denselben Betrag komprimiert, um welchen ein inneres Volumen auf der anderen Seite des Kolbens expandiert wird.
Mit Bezug auf Fig. 8 schließt der Faraday'sche Käfig einen äußeren umgebenden Käfig 120 mit einem elektrisch leitenden, flexiblen Teiler 122 ein, der den Käfig in zwei voneinander elektrisch isolierte Abschnitte teilt, die durch die flexible Sperre 122 voneinander isoliert werden. Die Kapsel A umfaßt einen ersten isolierenden Einsatz 124, bei welchem wenigstens eine Seite 126 flexibel ist, und eine zweite Kapsel 128, bei welcher wenigstens eine Seite 130 flexibel ist. Eine erste Elektrode 132 ist in einem inneren Volumen des ersten Kapselabschnittes angeordnet und eine zweite Elektrode 134 ist in dem Inneren des zweiten Kapselabschnittes angeordnet. Die Mittel E zur Änderung der Ladungsdichte umfassen einen Motor oder ähnliches zum Biegen der flexiblen Käfigwand 122 und der flexiblen Kapselwände 126 und 130 als Einheit, um die ersten und zweiten Kapselinnenvolumina in gleichen und sich gegenüberliegenden Maßen zu expandieren und zusammenzuziehen.
Mit Bezug auf Fig. 9 umgeben zwei gleiche Faraday'sche Käfige 140 und 140' auf gleiche Weise isolierende, hermetisch abgedichtete Kapseln 142, 142'. Die Faraday'schen Käfige sind elektrisch miteinander verbunden. Eine erste Elektrode 144 ist im Innern der ersten Kapsel 142 angeordnet und eine zweite Elektrode 144' ist im Innern der zweiten Kapsel 142' angeordnet. Die Mittel E zur Änderung der Ladungsdichte weisen einen Motor 146 auf, welcher zyklisch Seiten der Faraday'schen Käfige und Kapseln im gleichen und gegenüberliegenden Maße biegt. Der Schaltkreis D zur Messung eines Potentials mißt den Stromfluß zwischen den beiden Elektroden, wenn der Motor 146 die inneren Volumina der Kapseln expandiert und zusammenzieht. Optional können ein gleichartiger zusätzlicher Faraday'scher Käfig und Kapselkonstruktionen durch den Motor expandiert und kontrahiert werden. Die Expansionen/Kontraktionen der verschiedenen Konstruktionen können phasenverschoben um 180º, 90º, 120º od. dgl. sein. Elektroden können in jeder Konstruktion auch mit dem Schaltkreis zur Messung eines Potentials verbunden sein.
Mit besonderem Bezug auf Fig. 10 weist der Faraday'sche Käfig B ein metallisches Gehäuse 150 auf, welches mit dem Erdboden verbunden ist. Ein Operationsverstärker 152 oder ein Feldeffekttransistor hat einen Umkehrtoreingang 154, welcher mit dem Gehäuse verbunden ist. Auf diese Weise funktioniert das Metall wie eine Elektrode, welche mit dem Erdboden verbunden ist und welche sich mit den Veränderungen in dessen Potential ändert. Ein Tor hoher Impedanz 156 ist mit einer hohlen Elektrode 158 verbunden und kann relativ zu dem Potential des Bodens und des Gehäuses 150 schwimmen. Das Potential der hohlen Elektrode 158 bleibt konstant auch wenn das Potential des Gehäuses 150 fluktuiert. Der Operationsverstärker 152 stellt den Unterschied im Potential zwischen der Referenz, der hohlen Elektrode 158 und dem sich ändernden Käfigpotential fest. Der Käfig 150 kann mit dem Erdboden, einem Luftfahrzeugüberbau od. dgl. verbunden sein, um Änderungen in deren Potential zu messen.
Der Operationsverstärker 152 erzeugt ein Ausgangsdifferenzsignal, welches sich mit der Differenz im Potential zwischen der schwimmenden Elektrode 158 und dem Käfig 150 ändert. Die maximale Steuerspannung des Operationsverstärkers und der Feldeffekttransistoren ist gewöhnlich auf einen Bereich von wenigen Volt begrenzt, während sich das gemessene Potential über Tausende von Volt ändern kann. Der Meßschaltkreis D ist so ausgebildet, daß er den Operationsverstärker an diesen höheren Bereich anpaßt. Insbesondere bestimmen Spannungsdiskriminatoren 162, 164, wenn das Differenzsignal eines Operationsverstärkers sich einer vorher ausgewählten Standardabweichung, z. B. einem Volt, annähert. Immer, wenn das Ausgangssignal den vorgewählten Spannungsstandardabweichungswert erreicht, veranlassen die Spannungsdiskriminationsschaltkreise gleichzeitig einen Impulsformer 166 eine inkrementale Ladungsmenge der schwimmenden Elektrode zuzufügen oder abzuziehen und veranlassen einen Zähler 168 hoch oder runter zu zählen. Die durch den Impulsformer zugefügte Ladung ist sorgfältig ausgewählt, um genau mit einer Standardabweichung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers übereinzustimmen. Wenn das System einen Gleichgewichtszustand erreicht, zeigt der Zählerstand auf dem Zähler die Differenz zwischen der laufenden und der anfänglichen Spannungsdifferenz zwischen der schwimmenden Elektrode und dem Käfig an.
Ein Meßgerät 170 zeigt Bruchteile der Spannungsstandardabweichung an.
Für Langzeitmessungen kann ein Computer oder andere Mittel 180 zur automatischen Zählerablesung den Zähler in einen passenden Speicher 182 lesen und speichern. Um die Zählerausleseeinrichtung in vorgewählten Intervallen aus lesen zu lassen, kann eine Uhr 184 verwendet werden. Um eine korrespondierende oder andere vorgewählte Grundeinstellung des Zählerstandes des Zählers 168 einzugeben, wird eine Einrichtung zur Eingabe einer Grundeinstellung 186 bereitgestellt. Alternativ kann ein beliebiger Wert einer zurückgesetzten Ladung addiert werden. Kalibrierungsablesungen können vor und nach einer bestimmten Ladungsaddition vorgenommen werden, um die Menge der zurückgesetzten Ladung festzulegen. Zur Verstärkung des Signals zum Ableser können passende Einstellungen vorgenommen werden.
Man kann, obwohl anhand diskreter Bauteile erklärend dargestellt, eine bevorzugte Miniaturisierung der obigen Ausführungsformen durch die Reduzierung der oben beschriebenen Ausführungsformen auf einen einzigen Chip erhalten. Optional kann eine optische Kopplung verwendet werden, um die Daten von dem Chip zu einem entfernten Auslesegerät zu übertragen, ohne das zwischenliegende Feld oder eine Raumladung zu stören. Wenn der Käfig an einen lokalen Erdboden angeschlossen ist, wird der Ausgang Änderungen des Erdbodenpotentials, die durch Solarwinde, geomagnetische Felder, atmosphärische Bedingungen, Erdgezeitenströme, lokale Anomalien der Geologie, die örtliche Netzladungsdichte u. dgl. hervorgerufen werden, anzeigen. Mit der Fähigkeit der vorliegenden Erfindung ein absolutes elektrisches Potential zu messen, werden Langzeitstudien der Solarwinde während Sonnenfleckenzyklen und Erforschung über lange Distanzen unseres Sonnensystems erleichtert.
Bei Transport in einem Luftfahrzeug kann der Ausgang das relative Potential des Luftfahrzeuges im Vergleich zu einem vorgewählten Erd- oder anderem Potential messen. Dies wird die Koordination der Spannungspotentialdifferenz von Luftfahrzeugen während einer Betankung im Flug oder einer Luft- Übergabe-Operation ermöglichen. Das Gerät kann auch verwendet werden, um ein relatives Potential zwischen Luftfahrzeug und Landeplätzen, Getreidespeichern und Lastwagen, Lagertanks und ihren Inhalten und Schwimmtankern, den Enden großer Transportmittel von Massenbeförderungseinrichtungen u. dgl. zu überwachen.
In der Meteorologie liegt eine andere Anwendung der vorliegenden Erfindung. Das Wissen der Menschheit von atmosphärischer Elektrizität entstammt dem Studium von Spannungsgradienten und Ladungsströmen. Das Studium eines absoluten atmosphärischen Potentials in bezug auf Wetterfenster und Sturmphänomene eröffnet eine völlig neue Dimension des Wissens und Verstehens.
Der Stand der Technik legt nahe, daß ein sich mit der Zeit veränderndes absolutes Potential die Natur einiger oder der meisten physikalischen Grundkonstanten ändern würde. Die Konsequenzen der Änderung dieser Konstanten umfassen Dinge wie die Natur der Rotverschiebung bis zu der Größe, Form und Alter des Kosmos.
Es existieren erste Anzeichen, daß eine Verbindung zwischen Potentialänderungen und Zellteilung, Membrantransport, Bakterienwachstumsrate, Wasseraufnahme, elektromagnetischer Aktivität u. dgl. bestehen kann. Es würde nicht überraschen, zu entdecken, daß sich das Leben Zyklen von Potentialänderungen angepaßt hat, von denen unsere Technologie nichts ahnt. Theorien vom Ursprung und der Evolution des erdmagnetischen Feldes könnte mit der Entdeckung gemessener Einflußgrößen, welche sich ändern und umkehren können, eine neue Bedeutung erfahren. Das Vorhandensein einer nicht festgestellten von Null verschiedenen elektrischen Ladungsverteilung überall in der Atmosphäre könnte auf tausendfache Weise den verwüstenden Effekt eines elektromagnetischen Impulses, welcher durch eine außeratmosphärische thermonukleare Detonation verursacht wird, steigern. Gleichungen für die Kompression ionosphärischer Ladungen sind ohne das Wissen über ein absolutes elektrisches Potential unvollständig.
Die Erfindung wurde mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Der Durchschnittsfachmann wird offensichtlich beim Lesen und Verstehen der vorstehenden detaillierten Beschreibung Modifikationen und Änderungen erkennen. Es wird angestrebt, daß die Erfindung so verstanden wird, daß sie alle derartigen Änderungen und Modifikationen, soweit sie im Bereich der beigefügten Ansprüche liegen, einschließt.

Claims

1. Ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Erdbodenpotentials, bei welchem eine erste Elektrode (C) innerhalb einer ersten hermetisch abgedichteten, elektrisch isolierenden Kapsel (A) angeordnet wird, wobei die erste Kapsel (A) von einem ersten elektrisch leitenden Käfig (B) umgeben ist, welcher mit dem zu messenden Erdbodenpotential elektrisch verbunden ist;

das Volumen der ersten Kapsel (A) um einen vorherbestimmten Betrag geändert wird, um die Ladungsdichte innerhalb der ersten Kapsel (A) zu ändern und eine Ladungsverschiebung zu oder von der ersten Elektrode (C) zu erzeugen;

die Ladungsverschiebung gemessen wird;

und

das elektrische Erdbodenpotential aus der gemessenen Ladungsverschiebung errechnet wird.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, welches folgendes einschließt:

Anordnen einer zweiten Elektrode (C, 134, 144') in einer zweiten isolierenden Kapsel (90, 110, 128, 142'), welche von einem zweiten elektrisch leitenden Käfig (B, 140') umgeben ist;

elektrisches Verbinden des ersten und zweiten Käfigs;

elektrisches Verbinden der ersten und zweiten Elektrode;

Verändern eines Volumens der zweiten Kapsel in Koordination mit dem Verändern des ersten Kapselvolumens; und

worin der Schritt des Messens der Ladungsverschiebung ein Messen eines Stromflusses zwischen den beiden Elektroden einschließt.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Messens der Ladungsverschiebung ein solches Messen einer Ladungsverschiebung zwischen der Elektrode (14, C) und dem Käfig (B) einschließt, daß das Potential des Käfigs relativ zu dem Potential der Elektrode gemessen wird.

4. Vorrichtung zum Messen von Erdbodenpotential, mit einer ersten Elektrode (C), welche innerhalb einer ersten isolierenden Kapsel (A) angeordnet ist, wobei die Kapsel von einem ersten elektrisch leitenden Käfig (B) umgeben ist, welcher mit dem zu messenden Erdbodenpotential elektrisch verbunden ist;

Mitteln zum Verändern (E), welche wirksam mit der ersten Kapsel (A) verbunden sind, um das Volumen der ersten Kapsel (A) um einen vorherbestimmten Betrag zu ändern und hierdurch die Ladungsdichte innerhalb der ersten Kapsel (A) von einem ersten Wert zu einem zweiten Wert zu ändern und eine Ladungsverschiebung zu oder von der ersten Elektrode (C) zu erzeugen; und

Mitteln zum Messen (D) des ersten und zweiten Wertes, wodurch das Erdbodenpotential berechnet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin mit Mitteln zum Messen der Volumenänderung (22 und 28, 60) zum Messen der Innenvolumenänderung und Mitteln zum Ableiten einer Messung des Erdbodenpotentials von dem gemessenen Stromfluß und dem gemessenen Ladungsvolumen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin mit

einer zweiten hermetisch abgedichteten, elektrisch isolierenden Kapsel (90, 110, 128, 142'), wobei der elektrisch leitende Käfig (B) die zweite Kapsel umgibt;

eine zweite Elektrode (C, 134, 144'), welche innerhalb der zweiten Kapsel angeordnet ist;

wobei die Mittel zum Ändern der Ladungsdichte (E) Mittel zum Ändern des Volumens der ersten (90, 110, 124, A) und zweiten (90, 110, 128, 142') Kapsel einschließen; und

wobei die Mittel zum Messen der Ladungsverschiebung eine Ladungsverschiebung zwischen der ersten (C, 132, 144) und zweiten (C, 134, 144') Elektrode messen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die erste (90, 110, 124) und zweite (90, 110, 128) Kapsel verbunden sind;

und

wobei die Mittel zum Ändern der Ladungsdichte eine bewegliche Sperre (97, 116, 122) einschließen, welche die Innenvolumen der ersten und zweiten Kapsel so trennt, daß Bewegung der Sperre eine koordinierte Änderung im Innenvolumen der ersten und zweiten Kapsel ermöglicht.