DE829616B

DE829616B - Electrostatic voltmeter

Info

Publication number: DE829616B
Application number: DE1948P0021159
Authority: DE
Inventors: Karlsruhe Dr.-Ing. habil. Berthold Gänger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Filing date: 1948-11-09
Publication date: 1951-12-02

Description

Rs sind verschiedene Bauarten für Elektrometer, insbesondere zur Messung höherer Spannungen, bekannt, die auch zum Teil eine Absolutmessung der Spannung zulassen, wie etwa die Thomsonsche Spannungswaage oder ähnliche Ausführungen. Ihre besonderen Vorzüge liegen in der Möglichkeit der leistungslosen Messung von Gleich- und Wechselspaunungen beliebiger Frequenz. Trotz dieser Wirteile konnten sich zur Absolutifiessung geeignete Instrumente in der I'taxis und auch im Laboratorium, von wenigen Fällen abgesehen, nicht durchsetzen, da trotz seiner prinzipiellen Rinfachheit das Meßverfahren einen großen Aufwand erfordert und damit auch die Bedienung und Abgleichung schwierig und zeitraubend ist.Rs are different types of electrometers, in particular for measuring higher voltages, known, which is also partly an absolute measurement of the Allow tension, such as Thomson's tension balance or similar designs. your Particular advantages are the possibility of powerless measurement of constant and alternating spur any frequency. In spite of these parts of the host we were able to find suitable ones for absolute flow Instruments in the I'taxis and also in the laboratory, Apart from a few cases, not enforce, because despite its fundamental simplicity the The measuring process requires a great deal of effort and thus also the operation and adjustment difficult and time consuming.

Das den elektrometrischen Messungen zugrunde liegende Prinzip besteht darin, daß im elektrischen Rekl zwischen zwei planparallelen Elektroden die auf die vom Schutzring umgebene Meßfläche der einen Elektrode einwirkende Kraft genau berechenbar ist und daß eine Eichung des Systems durch Auflegen von Gewichten erfolgen kann; hierzu ist es allerdings erforderlich, daß die Elektrodenplatten waagerecht liegen und somit die Linien des elektrostatischen Feldes in lotrechter Richtung verlaufen. Da bei Messungen holier Spannung Elektroden großen Durchmessers mit ausreichendem Abstand von der X^Tmgebung vorzusehen sind, ist eine solche Anordnung in vielen Fällen mit Schwierigkeiten verbunden oder verbietet sich von vornherein aus räumlichen Gründen; auch ist bei den schwachen Kräften des elektrostatischen Feldes die Waagenanordnung sehr empfindlich auszuführen und erfordert umständliche und kostspielige Sonderlösungen. In erfindungsgemäßerThe principle on which the electrometric measurements are based consists in the fact that in the electrical Rekl between two plane-parallel electrodes the force acting on the measuring surface of one electrode surrounded by the protective ring can be precisely calculated and that the system can be calibrated by placing weights; For this, however, it is necessary that the electrode plates lie horizontally and thus the lines of the electrostatic field run in a vertical direction. Holier since when measuring voltage electrodes large diameter with sufficient distance from the X ^T are to be provided urroundings, such an arrangement is in many cases associated with difficulties or ruled out from the outset for reasons of space; Also, with the weak forces of the electrostatic field, the balance arrangement is very sensitive and requires complicated and expensive special solutions. In inventive

Weise ergibt sich eineWay results in a

einfache und leicht herstellbare Bauart dadurch, daß das Gewicht der beweglichen Meßfläche im Ausschnitt der einen Elektrode einschließlich etwaiger mit ihr starr verbundenen Teile im Ruhezustand bei lotrechter Lage der Elektroden durch radiale Federaufhängung oder gleichwertige Maßnahmen oder bei waagerechter Anordnung bei schwacher Federfesselung der Platte in der Ruhelage durch Auftrieb in einer Flüssigkeit oder insimple and easy to manufacture design in that the weight of the movable measuring surface in Section of one electrode, including any parts rigidly connected to it, when at rest in the case of a perpendicular position of the electrodes by radial spring suspension or equivalent measures or with horizontal arrangement with weak spring restraint of the plate in the rest position by buoyancy in a liquid or in

ίο einem Preßluftstrom für die Messung eliminiert ist. Während bei der Waagenanordnung außer der stabilen Gleichgewichtslage bei Abgleichung keine weitere möglich ist, da bei einer Lastdifferenz der beiden Seiten ein Kippen mit Absenkung der schwereren Waagschale eintritt, ergibt sich nunmehr bei großer Nullempfindlichkeit eine völlig stetige Zunahme der Meßplattenverschiebung mit Vergrößerung der auslenkenden Kraft, wobei auch der bei niederer Spannung schwache Zug der FeIdlinien schon zu einer merklichen Verschiebung führt. Weiterhin wird diese Verschiebung in Feldrichtung nicht z. B. durch eine mechanische Anordnung etwa mit Seilrolle und Zeiger oder eine Vorrichtung ähnlicher Art auf einer Skala angezeigt, sondern wird in einer elektrischen Meßschaltung in eine gleichartig verlaufende elektrische Meßgröße umgewandelt, womit eine große Empfindlichkeit der Anzeige erreichbar ist und sich gleichzeitig eine Fernablesung bzw. Fernübertragung des Meßwertes durchführen läßt.ίο eliminated a compressed air flow for the measurement is. While with the balance arrangement, apart from the stable equilibrium position during adjustment, none further is possible, since if there is a load difference between the two sides, it will tilt and lower the If a heavier weighing pan occurs, the result is now a completely with a high zero sensitivity steady increase in the measuring plate displacement with an increase in the deflecting force, whereby also the weak pull of the field lines at low voltage already leads to a noticeable shift leads. Furthermore, this shift in the field direction is not z. B. by a mechanical arrangement displayed on a scale, for example with a pulley and pointer or a device of a similar type, but is converted into a similarly running electrical measured variable in an electrical measuring circuit converted, with which a great sensitivity of the display can be achieved and at the same time can carry out a remote reading or remote transmission of the measured value.

Bild ι zeigt die grundsätzliche Anordnung eines solchen elektrostatischen Spannungsmessers mit waagerechtem Feldverlauf: Zwei ebene, zweckmäßigerweise kreisrunde Platten P₁ und P₂ mit abgekrümmtem Rand zur Vermeidung einer allzu hohen Feldkonzentration an den Rändern stehen sich parallel gegenüber. Sie werden in geeigneter Weise von Stützvorrichtungen Z₁ und I₂ getragen und jeweils gegen Erde isoliert. Im kreisrunden Mittelausschnitt der einen Platte, etwa von P₁, ist mit geringem radialem Spiel die auf gleichem Potential befindliche Meßplatte M an gleichmäßig gegeneinander versetzten, radial nach außen ziehenden drei oder mehr Federn F oder GummibändernFigure ι shows the basic arrangement of such an electrostatic voltmeter with a horizontal field profile: Two flat, expediently circular plates P ₁ and P ₂ with a curved edge to avoid too high a field concentration at the edges are parallel to each other. They are carried in a suitable manner by supporting devices Z ₁ and I ₂ and each insulated from earth. In the circular central section of one plate, approximately from P ₁ , the measuring plate M, which is at the same potential , is with little radial play on three or more springs F or rubber bands that are uniformly offset from one another and pull radially outwards

o. dgl. in der Plattenebene frei schwebend aufgehängt. Sie erfährt bei einer Potentialdifferenz zwischen den großen Elektroden eine Kraft, die sie der Elektrode P₂ zu nähern versucht. Bei mäßigem Systemgewicht und bei damit zulässiger geringer Steifigkeit der Spannfedern wird die Auslenkung auch bei schwacher Kraft gut merklich sein; die Verschiebung der Meßplatte darf zunächst auch ein gewisses Maß nicht übersteigen, um eine fühlbare Störung des an der Meßstelle bei großem Durchmesser der Hauptelektroden und mäßigem Abstand beider sehr gut homogenen Feldes zu vermeiden und um damit eine Kraftausübung sicherzustellen, die streng quadratisch mit der Spannung bzw. der Feldstärke geht und sich auch unter Berücksichtigung der Spaltweite in einfacher Weise berechnen läßt.or the like suspended freely floating in the plane of the plate. If there is a potential difference between the large electrodes, it experiences a force which it tries to approach the electrode P _2. If the system weight is moderate and the tension springs are less rigid, the deflection will be noticeable even with a weak force; the displacement of the measuring plate must initially not exceed a certain amount in order to avoid a noticeable disturbance of the very homogeneous field at the measuring point with a large diameter of the main electrodes and a moderate distance between the two and thus to ensure an exertion of force that is strictly square with the voltage or the field strength and can also be calculated in a simple manner taking into account the gap width.

Die Ausmessung der bewirkten Plattenverschiebung erfolgt in erfindungsgemäßer Weise nicht durch mechanische oder optische Übertragung des Meßwertes auf eine Skala, sondern durch ihre Umwandlung in eine entsprechende elektrische Größe. Dies kann z. B. unter Ausnutzung der geringfügigen Meßplattenverschiebung zur Veränderung der Induktivität von einem oder mehreren induktiven Kreisen etwa nach Art der Eltas-Feinmeßlehre erfolgen oder durch Veränderung der Kapazität des Kondensators eines Schwingungskreises. Beide Arten können auf im einzelnen unterschiedliche Weise verwirklicht werden und führen zu Strom- und Spannungsschwankungen in den elektrischen Kreisen, deren Größe von der Stärke der Meßplattenverschiebung abhängt.The plate displacement caused is not measured in the manner according to the invention by mechanical or optical transmission of the measured value on a scale, but by their Conversion into a corresponding electrical quantity. This can e.g. B. taking advantage of the minor Measuring plate displacement to change the inductance of one or more inductive circles, for example in the manner of the Eltas precision gauges take place or by changing the capacitance of the capacitor of an oscillation circuit. Both types can be individually different Wise realized and lead to current and voltage fluctuations in the electrical circuits, the size of which depends on the strength the measuring plate displacement depends.

Bild 2 zeigt die Anordnung für die Verwendung von Eisendrosseln, die im einzelnen weitgehend abgewandelt werden kann, so etwa auch durch die Verwendung von Hochfrequenz und von Luftspulen nach Art der bekannten Metallsucher: Mit dem Meßplättchen M ist eine Eisenzunge Z starr verbunden, die in. Ruhestellung genau in Mittellage zwischen zwei beiderseits von ihr angeordneten Eisendrosseln E₁ und E₂ mit den Magnetisierungswicklungen L₁ und L, ruht; bei Auslenkung werden die Induktivitäten der beiden Magnetkreise geändert, und zwar wird sie für die Spule, der sich der Anker Z nähert, größer, und für die gegenüberliegende kleiner. Beide Spulen liegen in den benachbarten Zweigen einer einfachen Brückenschaltung, die durch die beiden Widerstände R₃ und R₁ vervollständigt wird. Für die Mittelstellung des Ankers ist die Brücke in bekannter Weise ab- 9,5 zugleichen, indem der Strom I₀ in der Brückendiagonalen durch Verstellen der Brückenglieder zum Verschwinden bzw. auf ein Minimum gebracht wird. Die Größe des Stromes Z₀ bei Verstimmung der Brücke durch Verschiebung des Ankers als Folge der auf die Meßplatte einwirkenden Kraft ist dann ein Maß für die Größe der erfolgten Verschiebung. Wegen des bei Störung des Gleichgewichts auftretenden einseitigen magnetischen Zuges auf den Anker ist hierbei allerdings eine kräftige Federfesselung und auch ein knapp eingestellter Anschlag A erforderlich, um eine zu weitgehende Auslenkung oder gar ein Anliegen des Ankers an den Polen von E₂ zu verhüten. Wie schon angedeutet, ist es jedoch ohne weiteres mög- no lieh, durch geeignete Abänderung der Schaltung diesen etwaigen Nachteil zu vermeiden.Fig. 2 shows the arrangement for the use of iron chokes, which can be largely modified in detail, for example by using high frequency and air coils in the manner of the known metal detectors: An iron tongue Z is rigidly connected to the measuring plate M, which is in. Rest position exactly in the middle position between two iron chokes E ₁ and E ₂ with the magnetizing windings L ₁ and L, arranged on either side of it; When deflected, the inductances of the two magnetic circuits are changed, namely it becomes larger for the coil, which the armature Z is approaching, and smaller for the opposite one. Both coils are in the adjacent branches of a simple bridge circuit, which is completed by the two resistors R ₃ and R ₁ . For the middle position of the armature, the bridge is balanced in a known manner, in that the current I ₀ in the bridge diagonal is made to disappear or to a minimum by adjusting the bridge members. The magnitude of the current Z ₀ when the bridge is detuned by shifting the armature as a result of the force acting on the measuring plate is then a measure of the magnitude of the shift that has taken place. Because of the one-sided magnetic pull on the armature when the equilibrium is disturbed, however, a strong spring restraint and a tightly set stop A are required in order to prevent the armature from deflecting too far or even from contacting the poles of E _2. As already indicated, however, it is easily possible to avoid this possible disadvantage by appropriately modifying the circuit.

Bild 3 zeigt die Anordnung für die Verwendung eines Kondensators: Mit dem Meßplättchen M wird über Isolierbolzen, an denen die Spannfedern F angreifen, eine weitere Metallplatte K₁ starr verbunden; in geringem Abstand steht dieser eine weitere Platte K₂ als der andere Beleg des Meßkondensators gegenüber. Bei einer Auslenkung des beweglichen Systems unter Einwirkung des elektrostatischen Feldes wird somit die Kapazität des Meßkondensators kleiner. Eine Umsetzung dieser Kapazitätsänderung in elektrische Spannungs- bzw. Stromschwankungen kann in bekannter Weise stattfinden, etwa nach der in VDI 73 (1929), S. 639 beschriebenen Weise, wonach die KapazitätsänderungFig. 3 shows the arrangement for the use of a capacitor: Another metal plate K _{1 is} rigidly connected to the measuring plate M via insulating bolts on which the tension springs F engage; at a small distance from this is a further plate K ₂ than the other record of the measuring capacitor. If the moving system is deflected under the action of the electrostatic field, the capacitance of the measuring capacitor is reduced. This change in capacitance can be converted into electrical voltage or current fluctuations in a known manner, for example in the manner described in VDI 73 (1929), p. 639, according to which the change in capacitance

zur Änderung der Frequenz eines Schwingkreises ausgenutzt wird; damit ändert sich der Arbeitspunkt eines kleinen Hochfrequenzgenerators, mit dessen Schwingkreis der Meßkreis gekoppelt ist. Durch passende Wahl des Ruhepunktes auf der Resonanzkurve läßt es sich hierbei erreichen, daß sich schon 1>ei sehr kleiner Änderung der Kapazität des Meßkondensators der Anodenstrom eines nachgeschalteten Gleichrichters bzw. Verstärkersis used to change the frequency of a resonant circuit; thus the working point of a small high-frequency generator changes with whose resonant circuit is coupled to the measuring circuit. By choosing the right resting point on the Resonance curve, it can be achieved here that there is already a 1> ei very small change in the capacitance of the measuring capacitor is the anode current of a downstream rectifier or amplifier

ίο stark und auch zunächst fast verhältnisgleich ändert, oder es wird die elektrische Schaltung etwa in der Weise ausgeführt, wie dies Bild 4 zeigt: Ein Dreielektrodenrohr Ro₁ wird etwa in Huth-Kühn-Schaltung als Hochfrequenzerzeuger betrieben, dessen Frequenz durch die Eigenfrequenz des Schwingkreises S₁ gegelxm ist. Im Gitterkreis der Röhre Ro₁ ist der Meßkondensator K Teil eines weiteren Schwingungskreises S₂, der auf etwa gleiche Frequenz wie S₁ abgestimmt ist. Wird K ίο changes strongly and at first almost proportionally, or the electrical circuit is carried out as shown in Figure 4: A three-electrode tube Ro ₁ is operated as a high-frequency generator in a Huth-Kühn circuit, the frequency of which is determined by the natural frequency of the resonant circuit S _{1 is} gelxm. In the grid circle of the tube Ro ₁ , the measuring capacitor K is part of a further oscillating circuit S ₂ , which is tuned to approximately the same frequency as S _1. Will K

in weiten Grenzen geändert, so wird der Anodenstrom mit zunehmender Kapazität zunächst groß sein, um dann l>eim Schwingungseinsatz zu fallen und schließlich bei Überschreiten des Resonanzpunktes fast sprungweise wieder den anfänglichen Ruhestromwert anzunehmen. Eine Veränderung der Kapazität von K läßt sich somit bei geeigneter Einstellung des Arbeitspunktes etwa mittels des variablen Kondensators des Schwingungskreises S₂ an der Änderung der Anzeige eines Anodenstrommessers ablesen. Selbstverständlich ist es auch durch Gleichrichtung der Hochfrequenzschwingung und Verstärkung in einer nachgeschalteten Verstärkerstufe Ro₂ etwa in der Schaltung gemäß Bild 4 möglich, den Absolutwert und die Änderungen des Meßstromes, der dann im Anodenkreis der Röhre Ro₂ auftritt, zu vergrößern. Auch hier sind die Einzelheiten der Schaltung für die Erfindung unwesentlich.Changed within wide limits, the anode current will initially be large with increasing capacity, only to drop when the oscillation begins and finally to return almost suddenly to the initial quiescent current value when the resonance point is exceeded. A change in the capacitance of K can thus be read from the change in the display of an anode ammeter with a suitable setting of the operating point, for example by means of the variable capacitor of the oscillating circuit S _2. Of course, by rectifying the high-frequency oscillation and amplifying it in a downstream amplifier stage Ro _2, for example in the circuit shown in Figure 4, it is possible to increase the absolute value and the changes in the measuring current that then occurs in the anode circuit of the tube Ro ₂ . Here, too, the details of the circuit are immaterial for the invention.

In überraschend einfacher Weise läßt sich das System mit großer Genauigkeit durch Ausübung einer wohlbekannten Kraft in waagerechter Richtung eichen. Naheliegend ist zunächst die Befestigung eines feinen, biegsamen Drahtes oder eines Fadens an der Meßplatte und dessen 9O°-Umlenkung über eine Rolle oder Schneide, so daß am anderen Ende der Zugvorrichtung ein Gewicht angehängt werden kann. Dies hätte jedoch den großen Nachteil, daß in nicht genau bekannter Weise Reibungskräfte die Messung verfälschen. In erfindungsgemäßer Weise wind daher die Eichung in der Weise ausgeführt, daß der Aufhängepunkt eines Massependels mit bekanntem Gewicht und bekannter Länge um einen gewissen Betrag verschoben wird und das Pendel hierbei auf die Meßplatte eine wohlbekannte Zug- bzw. Druckkraft ausübt. Hierzu hat die Pendelmasse zweckmäßigerweise Kugelform, so daß sie bei punktweiser Auflage auf der Gegenfläche ohne merkliche Reibung als Folge der verkürzten vertikalen Aufhängelänge bei einer Waagerechtverschiebung des Aufhängepunktes hochsteigen kann. Damit die Pendellänge recht groß gemacht werden kann, was eine genauere Eichung zuläßt, ist es zweckmäßig, das Pendel nicht im Inneren der großen Elektrode aufzuhängen und es auf die Meßplatte drücken zu lassen, sondern das Pendel vor der Platte, also im Bereich des bei Anlegen einer Spannung an die Platten vorhandenen elektrischen Feldes, derart herabzuhängen, daß die Pendelmasse sich vor Mitte Meßfläche befindet und dadurch einen Zug auf sie ergibt, daß das Pendel auf eine in geeigneter Weise mit der Meßfläche verbundene Gegenfläche drückt. Bild 5 zeigt eine bewährte Ausführungsart: Die Meßplatte weist unterhalb ihrer Mitte eine feine Durchbohrung L auf: eine merkbare Störung des Feld-Verlaufs bei der späteren Spannungsmessung ist wegen dieser Verringerung der geometrischen Meßfläche nicht zu befürchten. In die Durchbohrung wird ein zugespitzter Draht D, etwa eine Nähnadel, eingesetzt, der seinerseits die möglichst leichte Gegenfiäche F trägt, an die sich die Pendelkugel K in Ruhelage gerade anlegt und auf welche sie bei einer Verschiebung des Pendelaufhängepunktes umIn a surprisingly simple manner, the system can be calibrated with great accuracy by exerting a well-known force in the horizontal direction. The obvious thing to do is to attach a fine, flexible wire or thread to the measuring plate and deflect it by 90 ° using a roller or blade so that a weight can be attached to the other end of the pulling device. However, this would have the great disadvantage that frictional forces falsify the measurement in a manner that is not exactly known. According to the invention, the calibration is therefore carried out in such a way that the suspension point of a mass pendulum with known weight and known length is shifted by a certain amount and the pendulum exerts a well-known tensile or compressive force on the measuring plate. For this purpose, the pendulum mass expediently has a spherical shape so that it can rise up when the suspension point is shifted horizontally when the suspension point is horizontally displaced, without noticeable friction as a result of the shortened vertical suspension length. So that the pendulum length can be made quite large, which allows a more precise calibration, it is advisable not to hang the pendulum inside the large electrode and let it press onto the measuring plate, but rather the pendulum in front of the plate, i.e. in the area of when it is applied a voltage of the electric field present on the plates, so that the pendulum mass is located in front of the center of the measuring surface and thereby results in a pull on it that the pendulum presses on an opposing surface connected to the measuring surface in a suitable manner. Figure 5 shows a tried and tested design: The measuring plate has a fine through-hole L below its center: a noticeable disturbance of the field profile during the later voltage measurement is not to be feared because of this reduction in the geometric measuring surface. A pointed wire D, such as a sewing needle, is inserted into the through-hole , which in turn bears the lightest possible counter surface F against which the pendulum ball K just rests in the rest position and on which it moves when the pendulum suspension point is shifted

die Wegstreckeί mit der Kraft G --mit GaIsPendel-the distance with the force G - with GaIs pendulum-

gewicht und / als Pendellänge drückt. Die bei größerer Verschiebung des Aufhängepunktes eintretende geringe Verkürzung der Pendellänge in lotrechter Richtung ist für die Eichung leicht erfaßbar und beeinträchtigt die Genauigkeit nicht, da wie angegeben die Pendelmasse wegen ihrer Kugelform nur punktförmig die Fläche F berührt und sich somit ohne wesentliche Reibung auf dieser glatten Fläche um den erforderlichen geringen Betrag verschieben kann.weight and / as pendulum length. The slight shortening of the pendulum length in the vertical direction, which occurs with greater displacement of the suspension point, is easily detectable for the calibration and does not affect the accuracy, since, as stated, the pendulum mass only touches surface F at points due to its spherical shape and thus moves on this smooth surface without significant friction can postpone the required small amount.

Oft wird die Eichung auch in der Weise durchgeführt werden, daß an Stelle einer Verschiebung des Pendelaufhängepunktes die Plattenelektrode P₁ mit ihrem Stützer in Richtung einer Vergrößerung des Elektrodenabstandes verschoben wird, was offensichtlich zum gleichen Ergebnis führt. Dies wird sogar die übliche Weise der Verstellung sein, da der Elektrodenabstand d zur Veränderung des Meßbereiches des Spannungsmessers sowieso veränderlich sein muß. Meist wird hierfür ein Spindelantrieb mit Wandermutter, die mit der Grundplatte der Stützvorrichtung I₁ fest verbunden ist, ausgeführt. 1Often the calibration will also be carried out in such a way that, instead of shifting the pendulum suspension point, the plate electrode P ₁ with its support is shifted in the direction of increasing the electrode spacing, which obviously leads to the same result. This will even be the usual way of adjustment, since the electrode spacing d must be variable anyway in order to change the measuring range of the voltmeter. A spindle drive with a traveling nut, which is firmly connected to the base plate of the support device I _{1, is usually implemented for this purpose.} 1

Die Eichung wird in der Weise durchgeführt, daß nach Festlegung der Pendelnullage (Pendel berührt gerade die Fläche F) eine Relativverschiebung zwischen Pendel und Meßelektrode vorgenommen wird und hierbei die Änderung des Anodenstromes (bei Messung nach Bild 3 bzw. Bild 4) bzw. des Brückenstromes (nach Bild 2) festgestellt wird. Dabei ist es auch möglich, den Anodenruhestrom durch einen Gegenstrom einer fremden, gut konstanten Ladungsquelle zu kompensieren und dann die bei Pendelauslenkung auftretenden Ausschläge am Meßinstrument unmittelbar abzulesen. Es läßt sich dann nach einfacher Umrechnung eine Eichkurve aufzeichnen, die die Anodenstromänderung als Funktion der waagerechten Zugkraft aufzeigt. Die Spannungsmessung erfolgt dann in der Weise, daß die bewirkte Meß- ias plattenverschiebung durch die Angabe des Anoden-The calibration is carried out in such a way that after the pendulum zero position has been determined (pendulum just touches the surface F) a relative displacement between the pendulum and the measuring electrode is carried out is determined and the change in the anode current (when measured according to Fig. 3 or Fig. 4) or the bridge current (according to Fig. 2) is determined will. It is also possible to reduce the anode quiescent current by a countercurrent to compensate for foreign, well constant charge source and then that which occurs with pendulum deflection The deflections on the measuring instrument can be read immediately. It can then be easier Conversion record a calibration curve that shows the change in anode current as a function of the horizontal Shows traction. The voltage measurement is then carried out in such a way that the measurement is effected plate displacement by specifying the anode

Strommessers ausgedrückt wird; unter BenutzungAmmeter is expressed; Under use

a² /Un²
der bekannten Beziehung P = "(τ) ^m'^{11 a} ^a'^s a ² / Un ²
the known relation P = "(τ) ^m ^{'11 a} ^a ' ^s

korrigiertem Meßplattendurchmesser (oundrfincm, f.' in kV, dann P in g) läßt sich dann mit Hilfe der Eichkurve die Höhe der an die Elektroden gelegten Spannung U sofort angeben.Corrected measuring plate diameter (oundrfincm, f. 'in kV, then P in g) the level of the voltage U applied to the electrodes can then be indicated immediately with the aid of the calibration curve.

Nachteilig bei dieser Messung ist, daß unkontrollierbare Änderungen im Arbeiten des RöhrengerätsThe disadvantage of this measurement is that uncontrollable changes in the operation of the tube device

ίο Fehler bedingen; auch muß die bei der Messung bewirkte Verschiebung der Meßplatte gering bleiben, um keine erhebliche Verfälschung der Anzeige durch Störung des Feldaufbaus zur Folge zu haben. Dies bedeutet eine geringe Empfindlichkeit der Anzeige, da zur Verhinderung der unerwünscht großen Auslenkung die angreifende Kraft etwa durch eine kleine Meßfläche oder großen Elektrodenabstand d oder durch Wahl steifer Aufhängefedern klein gehalten werden muß. Vollkommene Vermeidung des durch die Verschiebung der Meßplatte bedingten Meßfehlers sowie vollkommene Unabhängigkeit von dem Verstärkungsfaktor der elektrischen Schaltung bei großer Empfindlichkeit der Anordnung läßt sich dadurch erreichen, daß die auslenkende Kraft (sowohl bei der Eichung als auch bei der eigentlichen Spannungsmessung) voll kompensiert wird durch eine stets gleich große Gegenkraft, die die Meßplatte wieder in die Nullage zurückführt. Dies ist am einfachsten möglich durch Ausübung einer magnetischen Zugkraft, etwa zwischen zwei stromdurchflossenen Spulen, von denen die eine raumfest montiert und die andere am Ixnveglichen System angebracht ist. Bei Stromdurchfluß durch die beiden in Reihe oder parallel geschaltete Spulen ziehen sie sich an, wobei die Größe des Spulenstromes ein unmittelbares Maß der auftretenden Kraft ist. Oder es wird die rückführende Kraft etwa nach Art der aus Bild 6 ersichtlichen Weise aufgebracht: Die Kondensatorplatte K₀ ist aus nichtferromagnetischem Metall hergestellt und ist als Deckplatte auf einen Elektromagneten T mit möglichst geringem Hystereseeffekt aufgeschraubt. Bei Erregung des Magneten mit Hilfe eines veränderlichen Stromes durch die Spule 5" wird ein Magnetfeld ausgebildet, das die aus weichem Eisen (gleichfalls mit geringer magnetischer Nachwirkung) bestehende Kondensatorplatte K₁ anzieht. Die Größe des Erregerstromes ist im Maß der auslenkenden Kraft bzw. der an die Elektroden gelegten Spannung.ίο cause errors; the displacement of the measuring plate caused during the measurement must also remain small in order not to result in any significant falsification of the display by disturbing the field structure. This means that the display has a low sensitivity, since in order to prevent the undesirably large deflection, the acting force must be kept small, for example by using a small measuring surface or large electrode spacing d or by choosing stiff suspension springs. Complete avoidance of the measurement error caused by the displacement of the measuring plate and complete independence from the gain factor of the electrical circuit with great sensitivity of the arrangement can be achieved by fully compensating for the deflecting force (both during calibration and during the actual voltage measurement) by a always the same counterforce, which returns the measuring plate to the zero position. The easiest way to do this is by exerting a magnetic tensile force, for example between two current-carrying coils, one of which is fixed in place and the other is attached to the interconnected system. When current flows through the two coils connected in series or in parallel, they attract each other, the magnitude of the coil current being a direct measure of the force occurring. Or the restoring force is applied as shown in Figure 6: The capacitor plate K ₀ is made of non-ferromagnetic metal and is screwed onto an electromagnet T as a cover plate with the least possible hysteresis effect. When the magnet is excited with the aid of a variable current through the coil 5 ″, a magnetic field is formed which attracts the capacitor plate K _{1, which is made of soft iron (also with little magnetic aftereffect)} voltage applied to the electrodes.

Eichung und Spannungsmessung erfolgen dann in der Weise, daß bei auf die Meßplatte einwirkender Kraft ihre zunächst hervorgerufene Verschiebung durch passende Regulierung des Erregerstromes des Magneten wieder voll rückgängig gemacht wird, was daran kenntlich ist, daß der Anodenstrom bzw. der Brückenstrom bei Ausführung der Induktivitätsschaltung auf seinen Ruhewert zurückgeht. Die jeweilige Einstellung des Erregerstromes durch eine Bedienungsperson läßt sich dadurch vermeiden, daß die Abgleichung in bekannter Weise selbsttätig erfolgt. Zu diesem Selbstabgleich könnte etwa ein magnetischer Drosselverstärker bekannter Art (s. etwa Wiss. VeröfrVSiemens-Werke XIX H. 3, S. 4) oder auch ähnliche Vorrichtungen verwendet werden, die in der Weise arbeiten, daß die Abweichungen der elektrischen Größe der Anzeigevorrichtung vom Ruhewert nach etwa erforderlicher Verstärkung auf einen richtungsabhängigen Xullmotor einwirken, der dann anläuft und hierbei meist über eine mehrfache Untersetzung einen Widerstand, Potentiometer o. dgl. so verstellt, daß die Erregung des Magneten auf einen solchen Wert gebracht wird, bei dem das bewegliche System fast wieder die Nullage erreicht. Die Ausführungsarten einer solchen Rückführung in die ungefähre X^Tullage sind für das Wesen der Erfindung ohne Bedeutung. Wichtig ist jedoch, daß der Xullmotor leicht anläuft l)zw. daß die Nullempfindlichkeit des ganzen Systems recht groß ist, da andernfalls der selbsttätige Abgleich, der ja die Meßplatte nicht vollkommen in die Anfangslage zurückführen kann, nur mit erheblicher Ungenauigkeit arbeiten würde.Calibration and voltage measurement are then carried out in such a way that when the force acts on the measuring plate, its initially caused shift is fully reversed by suitable regulation of the excitation current of the magnet, which is indicated by the fact that the anode current or the bridge current when the inductance circuit is executed its resting value decreases. The respective setting of the excitation current by an operator can be avoided in that the adjustment takes place automatically in a known manner. For this self-adjustment a magnetic throttle amplifier of a known type (see for example Wiss. VeröfrVSiemens-Werke XIX H. 3, p. 4) or similar devices that work in such a way that the deviations in the electrical size of the display device from Rest value after any necessary amplification act on a direction-dependent Xullmotor, which then starts up and usually adjusts a resistor, potentiometer or the like via a multiple reduction in such a way that the excitation of the magnet is brought to a value at which the moving system is almost reaches the zero position again. The types of execution of such a return to the approximate X ^T ullage are irrelevant to the essence of the invention. It is important, however, that the Xullmotor starts up easily. that the zero sensitivity of the whole system is quite high, since otherwise the automatic adjustment, which cannot completely return the measuring plate to its starting position, would only work with considerable inaccuracy.

Eine andere Ausführungsart des angegebenen Meßprinzips läßt sich wiederum mit dem Ziel der Elimination des Gewichts des beweglichen Systems in der Weise durchführen, daß die durch Federn in der Nullage zentrierte Meßplatte waagerecht zu liegen kommt und etwa in bekannter Weise als Teil einer Waage aufgehängt wird. Es erfolgt die Auslenkung dann entgegen der Kraft der Federn, und es wird die vom elektrostatischen Feld ausgeübte Zugkraft in der erfindungsgemäßen Weise bestimmt. Oder es wird das Gewicht der durch Federn in Mittellage gehaltenen Meßplatte einschließlich der mit ihr verbundenen Teile durch Flüssigkeitsverdrängung aufgenommen, so daß das bewegliche System ohne äußere Kraft gerade in Schwebe gehalten wird. Bild 7 zeigt schematisch eine solche ¹Oo Anordnung: Das bewegliche System mit der Meßplatte M als Teil der nunmehr waagerecht liegenden Elektrode ist durch einen dünnen Stab St mit einer Schwimmerkugel SK passender Größe verbunden, die in der Flüssigkeit /■" schwebt. Schwache radial wirkende Federn F verhindern ein Kippen des beweglichen Systems oder Anlegen des Stabes St an die Wände des die Flüssigkeit einschließenden Gefäßes G und ergeben gleichzeitig die rücktreibende Kraft bei Auslenkung der Meßplatte bei Auflegen von Gewichten zur Eichung (die am einfachsten durch Gewichtskräfte erfolgt, die gerade die Gegenrichtung wie die elektrostatischen Feldkräfte haben) bzw. bei Auslenkung durch ein elektrisches Feld zwischen den Hauptelektroden. Tn bereits beschriebener Weise wäre wiederum etwa unter Ausnutzung der Kapazitätsänderung des aus den Platten K₁ und A'₂ gebildeten Kondensators die Abstandsänderung von der festen Platte A'₂ bzw. die Größe der einwirkenden Kraft zu bestimmen. Gleichfalls ist wiederum in geeigneter Weise eine Rückführung in die Nullage durch Handverstellung oder durch selbsttätigen Abgleich möglich. Eine Abänderung der Ausführung ist auch dadurch möglich, daß an Stelle der Verwendung des Auftriebs in einer Flüssigkeit das bewegliche SystemAnother embodiment of the specified measuring principle can again be carried out with the aim of eliminating the weight of the movable system in such a way that the measuring plate, centered by springs in the zero position, comes to lie horizontally and is suspended as part of a scale in a known manner. The deflection then takes place against the force of the springs, and the tensile force exerted by the electrostatic field is determined in the manner according to the invention. Or the weight of the measuring plate, held in the central position by springs, including the parts connected to it, is absorbed by displacement of the liquid, so that the movable system is kept in suspension without external force. Figure 7 shows schematically such a ¹ Oo arrangement: the moving system of the measuring plate M as part of the electrode is now lying horizontally is more appropriate by a thin rod St with a float ball SK size connected that floats in the liquid / ■ "weak radially acting. Springs F prevent the movable system from tilting or the rod St is placed against the walls of the vessel G which encloses the liquid and at the same time provide the restoring force when the measuring plate is deflected when weights are applied for calibration (which is most easily achieved by weight forces which are in the opposite direction have as the electrostatic field forces) or deflection by an electric field between the main electrodes. Tn the manner already described as utilizing would turn the capacitance change of the of the plates K ₁ and a 'capacitor formed _2, the change in distance from the fixed plate a' ₂ or to determine the magnitude of the acting force. Likewise, a return to the zero position is again possible in a suitable manner by manual adjustment or by automatic adjustment. A modification of the design is also possible in that instead of using the buoyancy in a liquid, the movable system

etwa durch Anblasen mit einem wohldosierten Luftstrom in Schwebe gehalten wird.is kept in suspension, for example, by blowing a well-measured stream of air.

Die absolute Spannungsmessung in der beschriebenen Art ist an die Bedingung geknüpft, daß ein homogenes elektrisches Feld am Meßort vorhand'n ist. Unter Verzicht auf die absolute Eichbarkeit, also bei Eichung des Instruments mit Hilfe einer fremden, gut bekannten Spannung, ist es zulässig, der Meßplatte beliebige Form zu geben; insbesondere ist es dann auch zulässig, mit großem Abstand und vergleichsweise geringem Durchmesser der TIauptelektroden zu arbeiten, wie dies etwa bei der Messung höchster Spannungen manchmal unumgänglich sein mag. Die Verwendung der beschriebenen Anzeigevorrichtung erbringt-in diesen Fällen gegenüber bekannten Ausführungen immer noch den Vorteil einer verhältnismäßig einfachen Anordnung und der Möglichkeit der Fernübertragung des Meßwertes.The absolute voltage measurement in the manner described is linked to the condition that a homogeneous electric field is present at the measurement location. If the absolute calibratability is waived, i.e. when the instrument is calibrated with the aid of a foreign, well-known voltage, it is permissible to give the measuring plate any shape; In particular, it is then also permissible to work with a large distance and a comparatively small diameter of the main electrodes, as this may sometimes be unavoidable when measuring the highest voltages, for example. The use of the described display device still has the advantage of a relatively simple arrangement and the possibility of remote transmission of the measured value in comparison to known designs.

Claims

PATENT CLAIMS:

τ. Electrostatic voltmeter with two plane-parallel electrodes and a homogeneous field profile at the measuring location, preferably achieved by means of a guard ring arrangement, characterized in that the weight of the movable measuring surface in the, section of one electrode including any parts rigidly connected to it in the idle state with the electrode in a vertical position by radial spring suspension (Hler equivalent measures or in the case of a horizontal arrangement with weak spring restraint of the plate in the rest position by the buoyancy in a liquid or in a compressed air flow for the measurement is eliminated.

2. Electrostatic voltmeter according to claim 1, characterized in that the at When a voltage is applied, the change in position of the measuring surface is converted into an electrical measured variable is.

3. Device for electrostatic voltmeter according to claim 1, characterized in that that in the case of a vertical electrode arrangement, the calibration of the instrument is carried out using a mechanical pendulum.

4. Electrostatic voltmeter according to claim 1 and 2, characterized in that the moving system is brought back to its initial position by a magnetic pull. 5 »

5. Electrostatic voltmeter according to claim 1, 2 and 4, characterized in that that the return to the approximate zero position takes place through automatic adjustment.

1 sheet of drawings

2939 1.