Elektrofeldmeter: Unterschied zwischen den Versionen
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Ein '''Elektrofeldmeter''', auch ''elektrisches Feldmeter'', '''Rotationsvoltmeter''' oder '''Feldmühle''' ({{enS|„field mill“}}) genannt, ist ein Gerät zur Messung der [[Elektrische Feldstärke|elektrischen Feldstärke]]. Bei definierter Messentfernung zu einem Objekt kann es als [[Spannungsmessgerät]] verwendet werden. | Ein '''Elektrofeldmeter''', auch ''elektrisches Feldmeter'', '''Rotationsvoltmeter''' oder '''Feldmühle''' ({{enS|„field mill“}}) genannt, ist ein Gerät zur Messung der [[Elektrische Feldstärke|elektrischen Feldstärke]]. Bei definierter Messentfernung zu einem Objekt kann es als [[Spannungsmessgerät]] verwendet werden. | ||
Wie auch das [[Elektroskop]] entzieht das Elektrofeldmeter dem zu messenden Objekt keine Energie und verfälscht somit das Messergebnis nicht, ist aber viel empfindlicher. Abhängig von der Bauweise kann eine Auflösung bis herab zu 10 V/m (für Rotationsvoltmeter, bei handlicheren Elektrofeldmetern nur bis etwa 1 kV/m) erreicht werden. | Wie auch das [[Elektroskop]] entzieht das Elektrofeldmeter dem zu messenden Objekt keine Energie und verfälscht somit das Messergebnis nicht, ist aber viel empfindlicher. Abhängig von der Bauweise kann eine Auflösung bis herab zu 10 V/m (für Rotationsvoltmeter, bei handlicheren Elektrofeldmetern nur bis etwa 1 kV/m) erreicht werden. | ||
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[[Datei:Signalverarbeitung-Feldmühle.svg|mini|Signalverarbeitung in der Feldmühle. ➀ Flügelrad; ➁ Sensorplatten; ➂ Gegenplatte; ➃ Lichtschranke; ➄ Motor; ➅ Verstärker; ➆ Multiplizierer; ➇ Tiefpass; ➈ Anzeige]][[Datei:Prinzip-Feldmühle.svg|mini|Prinzip der Feldmühle in der Abwicklungsansicht]] | [[Datei:Signalverarbeitung-Feldmühle.svg|mini|Signalverarbeitung in der Feldmühle. ➀ Flügelrad; ➁ Sensorplatten; ➂ Gegenplatte; ➃ Lichtschranke; ➄ Motor; ➅ Verstärker; ➆ Multiplizierer; ➇ Tiefpass; ➈ Anzeige]][[Datei:Prinzip-Feldmühle.svg|mini|Prinzip der Feldmühle in der Abwicklungsansicht]] | ||
An der Vorderseite der Geräte befindet sich ein [[Vergolden|vergoldeter]] elektrostatischer Chopper (Flügelrad, daher rührt auch die Bezeichnung „Feldmühle“).<ref>[http://www.missioninstruments.com/pages/learning/about_fm3.html About Electric Field Mill Operation]</ref><ref>{{Internetquelle | url=http://www.igb.fraunhofer.de/WWW/Service/OA/Analytik-Anlagen/dt/Elektrofeldmeter.html | titel=Messung elektrostatischer Felder und Ladungen | An der Vorderseite der Geräte befindet sich ein [[Vergolden|vergoldeter]] elektrostatischer Chopper (Flügelrad, daher rührt auch die Bezeichnung „Feldmühle“).<ref>[http://www.missioninstruments.com/pages/learning/about_fm3.html About Electric Field Mill Operation]</ref><ref>{{Internetquelle | url=http://www.igb.fraunhofer.de/WWW/Service/OA/Analytik-Anlagen/dt/Elektrofeldmeter.html | titel=Messung elektrostatischer Felder und Ladungen | hrsg=Fraunhofer IGB | datum=2003-10-24 | archiv-url=https://web.archive.org/web/20050314004252/http://www.igb.fraunhofer.de/WWW/Service/OA/Analytik-Anlagen/dt/Elektrofeldmeter.html | archiv-datum=2005-03-14 | zugriff=2011-10-23}}</ref> [[Gold]] verringert laut einiger Hersteller<ref>Fa. Eltex: [http://www.elex-antistatique.com/pdf/EFM-120_Bed_NT_D-E-F_pdf.pdf Produktdatenblatt]</ref><ref>{{Internetquelle | url=http://repository.phywe.de/files/bedanl.pdf/11500.20/d/1150020d.pdf | titel=Elektrofeldmeter, USB | titelerg=Betriebsanleitung | hrsg=PHYWE Systeme GmbH und Co. KG | format=PDF; 502 kB | zugriff=2016-07-05 | offline=ja | archiv-bot=2019-09-03 00:37:00 InternetArchiveBot }}</ref> den Messfehler, da es in der [[Elektrochemische Spannungsreihe|Elektrochemischen Spannungsreihe]] eine ähnliche Position wie Sauerstoff hat. Das Flügelrad gibt periodisch Fensteröffnungen frei und verschließt sie wieder. Deshalb kann sich die Sensorelektrode hinter dem Chopper durch [[Influenz]] des externen elektrischen Feldes abwechselnd auf- und entladen. Diese Ladungsänderung kann unterschiedlich gemessen werden: | ||
*Im einfachsten Fall wird die Sensorelektrode über einen sehr hochohmigen Widerstand geerdet, um eine ausreichend große [[Zeitkonstante]] zu erzielen. Daran erzeugt der Umladestrom eine Wechselspannung, die über einen [[Spannungsfolger]] ([[Operationsverstärker#Nichtinvertierender Verstärker (Elektrometerverstärker)|Elektrometerverstärker]]) niederohmig gemacht wird. | * Im einfachsten Fall wird die Sensorelektrode über einen sehr hochohmigen Widerstand geerdet, um eine ausreichend große [[Zeitkonstante]] zu erzielen. Daran erzeugt der Umladestrom eine Wechselspannung, die über einen [[Spannungsfolger]] ([[Operationsverstärker#Nichtinvertierender Verstärker (Elektrometerverstärker)|Elektrometerverstärker]]) niederohmig gemacht wird. | ||
*Bei höheren Ansprüchen erzeugt ein [[Ladungsverstärker]] die Messspannung. Dieser sorgt durch seinen [[Virtuelle Masse (Elektronik)|virtuellen Nullpunkt]] dafür, dass die Sensorplatte stets auf Nullpotential bleibt, was die Isolationsprobleme drastisch verringert. | * Bei höheren Ansprüchen erzeugt ein [[Ladungsverstärker]] die Messspannung. Dieser sorgt durch seinen [[Virtuelle Masse (Elektronik)|virtuellen Nullpunkt]] dafür, dass die Sensorplatte stets auf Nullpotential bleibt, was die Isolationsprobleme drastisch verringert. | ||
Nach ausreichender Verstärkung wird die Wechselspannung in einem [[Gleichrichter#Synchrongleichrichter|Synchrongleichrichter]], dessen Umschaltfrequenz mit der Rotationsfrequenz des Flügelrades übereinstimmt, gleichgerichtet und angezeigt. Auf diese Weise kann die Polarität der Spannung beziehungsweise die Richtung des elektrischen Feldes bestimmt werden. | Nach ausreichender Verstärkung wird die Wechselspannung in einem [[Gleichrichter#Synchrongleichrichter|Synchrongleichrichter]], dessen Umschaltfrequenz mit der Rotationsfrequenz des Flügelrades übereinstimmt, gleichgerichtet und angezeigt. Auf diese Weise kann die Polarität der Spannung beziehungsweise die Richtung des elektrischen Feldes bestimmt werden. | ||
Dieses Prinzip ermöglicht, [[Elektrostatik|statische]] [[Elektrische Ladung|elektrische Ladungen]] und [[Elektrisches Feld|Felder]] zu bestimmen, ohne ihnen Energie zu entnehmen | Dieses Prinzip ermöglicht, [[Elektrostatik|statische]] [[Elektrische Ladung|elektrische Ladungen]] und [[Elektrisches Feld|Felder]] zu bestimmen, ohne ihnen Energie zu entnehmen – zur Messung fließt kein Strom. | ||
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Aus den gemessenen Feldstärken kann man auf benachbarte Oberflächenladungen schließen, die unter anderem in [[Electrostatic Protected Area|elektrostatisch geschützten Bereichen]] (ESD-Arbeitsplätzen) und bei der Herstellung und Verpackung elektronischer Bauteile und Komponenten vermieden werden müssen. Sie könnten zu [[Elektrostatische Entladung|elektrostatischen Entladungen]] führen. | Aus den gemessenen Feldstärken kann man auf benachbarte Oberflächenladungen schließen, die unter anderem in [[Electrostatic Protected Area|elektrostatisch geschützten Bereichen]] (ESD-Arbeitsplätzen) und bei der Herstellung und Verpackung elektronischer Bauteile und Komponenten vermieden werden müssen. Sie könnten zu [[Elektrostatische Entladung|elektrostatischen Entladungen]] führen. | ||
In der Meteorologie und Klimaforschung werden Veränderungen des elektrischen Feldes in der Erdatmosphäre gemessen, die durch Wettererscheinungen wie Gewitter, Kalt- bzw. Warmfrontdurchgänge, Regenwolken und andere elektrostatische Phänomene in der Atmosphäre erzeugt werden. Notfalls werden Raketenstarts verschoben<ref>[http://www.spaceref.com/news/viewpr.html?pid=2194 Florida Airborne Field Mill Research May Improve Launch Weather Criteria]</ref> | In der Meteorologie und Klimaforschung werden Veränderungen des elektrischen Feldes in der Erdatmosphäre gemessen, die durch Wettererscheinungen wie Gewitter, Kalt- bzw. Warmfrontdurchgänge, Regenwolken und andere elektrostatische Phänomene in der Atmosphäre erzeugt werden. Notfalls werden Raketenstarts verschoben.<ref>[http://www.spaceref.com/news/viewpr.html?pid=2194 Florida Airborne Field Mill Research May Improve Launch Weather Criteria] Presse Release, Kennedy Space Center. Gepolstert auf spaceref.com 11. Juli 2000, abgerufen 6. Juni 2020.</ref> | ||
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Aktuelle Version vom 6. Juni 2020, 13:15 Uhr
Ein Elektrofeldmeter, auch elektrisches Feldmeter, Rotationsvoltmeter oder Feldmühle (englisch „field mill“) genannt, ist ein Gerät zur Messung der elektrischen Feldstärke. Bei definierter Messentfernung zu einem Objekt kann es als Spannungsmessgerät verwendet werden.
Wie auch das Elektroskop entzieht das Elektrofeldmeter dem zu messenden Objekt keine Energie und verfälscht somit das Messergebnis nicht, ist aber viel empfindlicher. Abhängig von der Bauweise kann eine Auflösung bis herab zu 10 V/m (für Rotationsvoltmeter, bei handlicheren Elektrofeldmetern nur bis etwa 1 kV/m) erreicht werden.
Funktionsweise
An der Vorderseite der Geräte befindet sich ein vergoldeter elektrostatischer Chopper (Flügelrad, daher rührt auch die Bezeichnung „Feldmühle“).[1][2] Gold verringert laut einiger Hersteller[3][4] den Messfehler, da es in der Elektrochemischen Spannungsreihe eine ähnliche Position wie Sauerstoff hat. Das Flügelrad gibt periodisch Fensteröffnungen frei und verschließt sie wieder. Deshalb kann sich die Sensorelektrode hinter dem Chopper durch Influenz des externen elektrischen Feldes abwechselnd auf- und entladen. Diese Ladungsänderung kann unterschiedlich gemessen werden:
- Im einfachsten Fall wird die Sensorelektrode über einen sehr hochohmigen Widerstand geerdet, um eine ausreichend große Zeitkonstante zu erzielen. Daran erzeugt der Umladestrom eine Wechselspannung, die über einen Spannungsfolger (Elektrometerverstärker) niederohmig gemacht wird.
- Bei höheren Ansprüchen erzeugt ein Ladungsverstärker die Messspannung. Dieser sorgt durch seinen virtuellen Nullpunkt dafür, dass die Sensorplatte stets auf Nullpotential bleibt, was die Isolationsprobleme drastisch verringert.
Nach ausreichender Verstärkung wird die Wechselspannung in einem Synchrongleichrichter, dessen Umschaltfrequenz mit der Rotationsfrequenz des Flügelrades übereinstimmt, gleichgerichtet und angezeigt. Auf diese Weise kann die Polarität der Spannung beziehungsweise die Richtung des elektrischen Feldes bestimmt werden.
Dieses Prinzip ermöglicht, statische elektrische Ladungen und Felder zu bestimmen, ohne ihnen Energie zu entnehmen – zur Messung fließt kein Strom.
Anwendungen
Feldmühle am Kennedy Space Center in Florida.
Aus den gemessenen Feldstärken kann man auf benachbarte Oberflächenladungen schließen, die unter anderem in elektrostatisch geschützten Bereichen (ESD-Arbeitsplätzen) und bei der Herstellung und Verpackung elektronischer Bauteile und Komponenten vermieden werden müssen. Sie könnten zu elektrostatischen Entladungen führen.
In der Meteorologie und Klimaforschung werden Veränderungen des elektrischen Feldes in der Erdatmosphäre gemessen, die durch Wettererscheinungen wie Gewitter, Kalt- bzw. Warmfrontdurchgänge, Regenwolken und andere elektrostatische Phänomene in der Atmosphäre erzeugt werden. Notfalls werden Raketenstarts verschoben.[5]
Siehe auch
- Lock-in-Verstärker
Weblinks
- Beschreibung und Arbeitsweise - auf www.rapp-instruments.de
- Stefan Kneifels DH1STF (Feldmühle)
- hcrs Feldmühle
- Erläuterung auf Schülerniveau (LEIFI)
Einzelnachweise
- ↑ About Electric Field Mill Operation
- ↑ Messung elektrostatischer Felder und Ladungen. Fraunhofer IGB, 24. Oktober 2003, archiviert vom Original am 14. März 2005; abgerufen am 23. Oktober 2011.
- ↑ Fa. Eltex: Produktdatenblatt
- ↑ Elektrofeldmeter, USB. (PDF; 502 kB) Betriebsanleitung. (Nicht mehr online verfügbar.) PHYWE Systeme GmbH und Co. KG, ehemals im Original; abgerufen am 5. Juli 2016. (Seite nicht mehr abrufbar, Suche in Webarchiven)Vorlage:Toter Link/archivebot
- ↑ Florida Airborne Field Mill Research May Improve Launch Weather Criteria Presse Release, Kennedy Space Center. Gepolstert auf spaceref.com 11. Juli 2000, abgerufen 6. Juni 2020.