Spannungspotentiale berührungslos messen

Hohe elektrische Spannungen werden für viele Anwendungen benötigt, bergen aber immer ein Gefahrenpotential. So können statische Entladungen und hohe Feldstärken moderne elektronische Bauteile leicht zerstören. Bei einer Entladung mit Funkenbildung kann es bei entzündlichen Dämpfen zur Explosion kommen. Daher ist in vielen Bereichen eine Abschirmung oder Erdung vorgeschrieben. Andererseits arbeitet moderne Technik aber auch mit elektrostatischer Aufladung wie z. B. bei Laserkopierern, beim elektrostatischen Lackauftrag oder der Rauchgasreinigung. In solchen Fällen ist es wichtig, die tatsächliche Höhe des elektrischen Potentials zu kennen. Ein Elektrofeldmeter ist dafür das geeignete Messgerät.

In den handlichen Geräten kommen auch Kleinstantriebe zum Einsatz. So kann die Feld­stärke und damit die anliegende Spannung berührungslos ohne Messwertverfälschung bestimmt werden.

Hohe Spannungen entstehen auf vielerlei Art. Es gibt die „natürliche“ Ladungstrennung durch Reiben von Flächen aneinander, durch Umpumpen von Flüssigkeiten oder Strahlungseinfluss. Eine weitere Möglichkeit ist die künstliche Erzeugung von Hochspannungspotentialen für technische Zwecke. In allen Fällen ist es wichtig, die Stärke der elektrischen Felder zu bestimmen. Da sich elektrostatische Ladungen nur schwer messen lassen ohne diese zu beeinflussen, entwickelte die Kleinwächter GmbH aus Hausen für die präzise Messung ein kompaktes Elektrofeldmeter.

Das Messprinzip

Das Messgerät ist nach dem Prinzip eines Influenzgenerators aufgebaut und erlaubt eine berührungslose Bestimmung der elektrischen Feldstärke. Dabei verhindert ein rotierender Abschirmflügel zeitweise das Eindringen des Feldes in das Messgerät. So trifft das Feld in regelmäßigen Abständen auf die Messelektrode; durch Influenz entsteht so eine Wechselspannung. Der dazu pro­portionale Wechselstrom wird gemessen. Mit diesem Prinzip gelingt es, elektrische Ladungen und Felder zu bestimmen, ohne ihnen Energie zu entnehmen. Da die Feldstärke E in Volt pro Meter bei bekanntem Abstand (d) gemessen wird, errechnet das Gerät daraus die Spannung (U=E*d). Wird die Phasenlage der durch Influenz erzeugten Spannung mit der Stellung des Flügelrades verglichen, lässt sich auch die Polarität der Spannung beziehungsweise die Richtung des Feldes bestimmen.
Das benutzerfreundliche Gerät im antistatischen Kunststoffgehäuse kann einen weiten Spannungsbereich in fünf Messbereichen abdecken. Die Bereiche liegen bei 1, 2, 5, 10 und 20 cm Messentfernung. So sind dann z. B. bei 1 cm Distanz 0 bis 10 kV und bei 20 cm Entfernung 0 bis 200 kV Spannung messbar. Die Anzeige kann für den Einsatz an unzugänglichen Stellen auch eingefroren und nachträglich abgelesen werden. Die Digitalanzeige zeigt dabei oben die gewählte Messentfernung und unten die gemessene Aufladung an. Die hohe Nullpunkt-Stabilität des Messprinzips erlaubt den Verzicht auf den sonst üblichen Nullpunktabgleich. Das Gerät baut nur 122 x 70 x 26 mm groß bei ca. 130 g Gewicht. Eine erweiterte Ausführung des Geräts bietet zusätzlich einen analogen Spannungs­ausgang ±1 V. Damit können über den A/D Wandler UAC 110 die Messwerte auch am PC weiter verarbeitet werden. Eine ­­9 Volt Blockbatterie dient als Stromver­sorgung. Um mit dem begrenzten Energievorrat der Batterie lange Betriebszeiten zu ermöglichen, müssen alle Kom­­­ponenten des Feldmeters auf geringsten Stromverbrauch optimiert werden. Dies gilt vor allem für die mechanische Komponente, den Antriebsmotor für das Flügelrad. Für den optimalen Antrieb des Abschirmflügels im neuen Elektrofeldmeter wurden die Entwickler im Produktprogramm von Faulhaber schnell fündig.

Kompaktes Elektrofeldmeter mit großem Spannungsbereich für berührungsloses Messen

Klein, leicht, effizient

Der gewählte Flach­­­­­läufer DC-Motor baut ohne Achsen nur knapp 6 mm hoch, das erlaubt einen platzsparenden Einbau im Kopf des Mess­instrumentes. Der reine Durchmesser beträgt nur 15 mm. Als edelmetallkommutierter Gleichstrommotor ist der Motor für den Einsatz in akkubetriebenen Geräten prädestiniert. Je nach Geräteversorgungsspannung können Motoren mit 3, 6 oder 12 V Betriebsspannung eingesetzt werden. Der Wirkungsgrad beträgt 67 %, das verlängert die Betriebszeit pro Akkuladung. Die Leerlaufdrehzahl liegt bei rund 12.000 U/min. Mit Kunststoffgehäuse wiegt der Motor nur 4,3 g. Die Abgabeleistung liegt je nach Spannungsausführung zwischen 0,15 und 0,22 W. Als DC-Flachmotor lässt sich die Drehzahl des Antriebs leicht über die Versorgungsspannung regeln. Die geringe Anlaufspannung und der leichte Start auch nach längerem Stillstand ist ein weiterer Vorteil dieser Kleinstmotoren. So lassen sich auch Messgeräte, die nur in großen Zeitintervallen aktiv sind, sicher betreiben. Passt die Standardausführung nicht optimal für den jeweiligen Einsatzzweck, so kann der Antrieb kundenspezifisch modifiziert werden. Neben der Montageplatte wurde auch die Rotorwelle an die speziellen Anforderungen angepasst. Dazu ist die Welle auf beiden Seiten des Motors herausgeführt, darüber wird die für die Messung essenzielle Ladung für das Flügelrad einfach von unten durch den Motor zugeführt.
Moderne DC-Kleinstantriebe sind heute für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet. Die Bandbreite reicht von der Mess- und Regeltechnik über einfache Aktuatorik bis hin zu feinmechanischen Präzisionsinstrumenten. Der robuste, langlebige Aufbau, die einfache Regelung über die Betriebsspannung und gute EMV-Verträglichkeit erlauben dabei den Einsatz in empfindlichen Messgeräten oder der Medizintechnik.