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Elektrostatischer Spannungsmesser mit elektrodynamischer Kompensationsanordnung
Die bisher in Gebrauch befindlichen Elektrometer zur absoluten Spannungsmessung
beruhen auf folgendem, von W. T h o m s o n eingeführtem Meßprinzip: Der elektrostatischen
Anziehungskraft zweier auf die zu messende Spannung aufgeladener Platten, die zwecks
Feldhomogenisierung mit Schutzringen umgeben sind, wird das Gleichgewicht durch
eine absolut meßbare Kraft gehalten. Bei der Thomsonschen elektrostatischen Waage
wird diese Kraft durch Gewichte erzeugt, welche die bewegliche Platte in ihre Ruhelage
zurückbringen. Bei späteren Formen des Instruments wird zur Kompensation die elektrodynamische
Kraft verwendet, mit der eine feste Spule eine mit dem beweglichen System verbundene
Spule anzieht.
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Bei dieser Art des Instruments ist die Gleichgewichtslage eine labile.
Wird sie nach der einen oder anderen Seite verlassen, so entsteht ein mit wachsender
Entfernung aus der Gleichgewichtslage zunehmender überschuß nach der einen Richtung
der elektrostatischen, nach der anderen Seite der elektrodynamischen Kraft. In diesen
Instrumenten ist der elektrostatische wie auch der elektrodynamische Teil des Geräts
doppelt ausgeführt, und zwar symmetrisch zur Drehachse des Systems, hauptsächlich
um die störende Wirkung des magnetischen Erdfeldes auf die Spulen aufzuheben, indem
man den Magnetfeldern der beweglichen Spulen entgegengesetzte Richtung erteilt.
Da es bei Doppelwaagen drei Schaltmöglichkeiten für die aufgeladenen, sich anziehenden
Platten gibt (Benutzung nur eines Plattenpaares, Benutzung beider Plattenpaare in
Parallel- oder Serienschaltung), stehen drei Meßbereiche zur Verfügung.
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Die Gleichgewichtslage wird eine stabile, wenn der elektrostatischen
Kraft die Abstoßung zweier Spulen entgegengesetzt wird. In dieser Ausführungsform
sind bei Bewegungen um die Gleichgewichtslage Zunahme und Abnahme der Kraft des
elektrodynamischen und des elektrostatischen Systems gleichen
Drehrichtungen
zugeordnet. Es sind Kompensationsanordnungen in symmetrischer Anordnung zweier Spulenpaare
bekannt, bei denen zur Erzeugung der zur Kompensation erforderlichen Kxaft auf der
einen Seite die feste Spule die bewegliche Spule abstößt und auf der anderen Seite
die feste Spule die bewegliche Spule anzieht. Mit steigender Elektrometerspaimung
wird auch bei abstoßenden Spulen der Cberschuß der Zunähme der elektrostatischen
über die Zunahme der elektrodynamischen Kraft bei Bewegungen dies Systems größer,
so daß von bestimmten Spannungswerten .an das Meßsystem die Stabilität seiner Gleichgewichtslage
verliert.-Die Erfindung will dem Meßsystem bis -zu möglichst hohen Spannungen seine
Stabilität entgegen der labilisierenden Wirkung des elektrischen Feldes erhalten
und dabei den Grad der Stabilität regulierbar gestalten, um durch eine einstellbare,
beliebig weitgehende Annäherung an die Labilitätsgrenze dem Instrument beliebig
hohe Empfindlichkeiten zu erteilen. Sie betrifft also einen elektrostatischen Spannungsmesser
mit elektrodynamischer Kompensationsanordnung, bestehend aus einer mit dem elektrostatischen
System durch einen Waagebalken verbundenen, zwischen zwei festen Spulen beweglichen
Spule; gemäß der Erfindung ist die Stromrichtung in den Spulen so gewählt, daß die
beiden festen Spulen die bewegliche abstoßen, wobei die Stromstärken in den Spulen
unabhängig voneinander einstellbar sind.
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Die Ströme in den festen Spulen sind also unabhängig voneinander regulierbar
und haben die gleiche Richtung; im Gegensatz zu der Helmholtzschen Stromwaage, bei
der die festen Spulen von Strömen gleicher Stärke und entgegengesetzter Richtung
durchflossen werden.
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An Hand der Zeichnung wird eine Ausführung des Instruments beschrieben.
Die zu messende Spannung wird an die Eiektrodena und -b; deren Abstand verändert
werden kann, angelegt. Die ,auf -den im Ausschnitt c der Elektrode b -befindlichen
Meßflügel d wirkende elektrostatische Kraft übt einen Drehmoment auf den um ein
gespanntes Bronzeband e als Achse drehbaren Hebeltaus, dessen anderes Ende die Spule
g trägt. Zu beiden Seiten der Spule g sind die festen Spulen lt und!
angebracht.
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Macht man zwecks vereinfachter Erklärung der Wirkungsweise die Einnahme
vollkommener Symmetrie der Spulen 1a und i zur Spule g in bezug auf Form, Windungszahl
und Abstände, so erkennt man, daß für gleiche Stromstärke in den festen Spulen die
Kräfte auf die in der Nullage befindliche Spule g sich aufheben, bei -Bewegungen
des .Hebels -aber die Abstoßung seitens der Spule, an die ellie Annäherung erfolgt
ist, größer wird. Gleichzeitig wird die Kraft von selten der gegenüberliegenden,
jetzt in größerem Abstand b:efindlichen Spule vermindert, so daß ohne Unterschied
der Richtung der Hebeldrehung das System in seine Nullage zurückgetrieben wird.
Die Größe dieser Direktionskraft kann durch Verändern der Spulenströme beliebig
reguliert werden. Eine die elektrostatische Kraft kompensierende Wirkung tritt ein,
wenn die Stromstärke der Meßspule ht. über den Betrag der Stromstärke in der Stabilisierungsspule!
hinaus gesteigert wird. Die Wirksamkeit der 1Vließspule ist also eine zweifache;
:ein Teil des Stromes, der dem Betrag nach dem Strom in der Stabilisierungsspule
gleich ist. bestimmt die -Größe der Direktionskraft und damit den Grad der Stabilisierung
und die Höhe der Empfindlichkeit des Systems, während der übrigbleibende Teil des
Stromes für die Größe der kompensierenden Kraft maßgebend also der spannungmessende
Teil ist.
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Mit kleiner werdendem Abstand der Elektroden a und b nimmt die labilisier
ende Richtkraft des elektrostatischen Feldes so hohe Werte an, daß schon für Spannungen,
die Normalelementen entnommen werden, Labilität, also höchste Empfindlichkeit erreicht
wird. Durch gleichmäßiges Erhöhen der Ströme in den festen Spulen wird für höhere
zu messende Spannungen die Stabilität in beliebig regulierbarem Maße wieder hergestellt.
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Der Meßbereich des Instruments ist nur durch die Strombelastbarkeit
der Spulen begrenzt. Zur Einstellung eines Meßbereiches, der höhere Spannungen erfaßt,
wird die bei möglichst hoher Spannung wirkende°.kompensierende Kraft durch Vermindern
der Spulenströme um den Faktor herabgesetzt, um den der Meßbereich .erweitert werden
soll. Bei ,unveränderter Spannung wird der Abstand der Elektroden bis zum Einspielen
des Hebels in.- seine Nullage vergrößert. Die Spulenströme sind dabei so abgeglichen,
daß für den einzustellenden Abstand nahezu Labilität wieder vorhanden ist.
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Den bisher bekannten elektrostatischen Spannungsmessern (Hochspannungselektrometern)
gegenüber hat das Instrument den Vorteil, daß bei höchster Empfindlichkeit des Meßsystems
zur Eichung niedrige Spannungen, wie sie Normalelemente liefern, ausreichend sind.
Unabhängig von der Höhe der zu messenden .Spannung kann die Empfindlichkeit kontinuierlich
bis zum Höchstwert reguliert werden. :Die Justierung der zur Erweiterung des Meßbereichs
einzustellenden Elektrodenabstände erfolgt bei höchster Empfindlichkeit .des Meßsystems..
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