Elektrofeldmeter 11500.10

R
Elektrofeldmeter
11500.10
Betriebsanleitung
Das Gerät entspricht den
zutreffenden
EG-Rahmenrichtlinien.
1
ZWECK UND CHARAKTERISTISCHE
EIGENSCHAFTEN
Das Elektrofeldmeter 11500.10 (im folgenden kurz EFM genannt) dient zur Untersuchung der Feldstärke in elektrischen Feldern. Zur Verfügung stehen drei Feldstärke-Meßbereiche: 1/10/100 kVm–1.
Des weiteren können in Verbindung mit dem Spannungsvorsatz des EFM Gleichspannungen statisch gemessen
werden, und zwar gilt dies bemerkenswerterweise auch für
relativ kleine Spannungen: Meßbereiche: 10/100/1000 V–.
Das handliche, auf einen Stiel montierte Gerät ist mit einer
Gleichspannung zwischen 14 … 18 V zu speisen.
Das Gerät besitzt eine Datenschnittstelle, die über ein mitgeliefertes Kabel mit dem 9-poligen Sub-D-Stecker einer
seriellen RS232-Schnittstelle eines Computers verbunden
werden kann.
2 MESSPRINZIP
Das Meßprinzip des EFM beruht auf der Tatsache, daß ein
elektrisches Feld in der Oberfläche eines Leiters Ladungen
influenziert, deren Flächenladungsdichte σ proportional der
Normalkomponente En der an der Leiteroberfläche herrschenden Feldstärke E ist:
σ = εo · En ;
(εo = 8,86 · 10–12 As/Vm).
Da das elektrostatische Feld auf Leiteroberflächen stets
senkrecht steht, ist hier En = E.
Als Sonde des EFM dient eine vergoldete ebene Meßelektrode mit sechs sternförmig angeordneten Sektoren. Zur
meßtechnischen Auswertung wird der elektrische Fluß zur
Sonde periodisch zerhackt, und zwar mit Hilfe eines dicht
vor der Meßelektrode rotierenden Flügelrades entsprechender Gestalt, das elektrisch an Gerätemasse liegt. Je
nach Radstellung wird der elektrische Fluß zur Sonde mehr
oder weniger abgeschirmt und schwankt deshalb peri-
odisch zwischen seinem Maximalwert und Null.
Die Meßelektrode ist mit der Gerätemasse über einen
hochohmigen Arbeitswiderstand verbunden. An diesem erzeugt die Änderung der Influenzladung periodische Spannungsimpulse, deren Höhe der elektrischen Feldstärke En
proportional ist. Eine elektronische Schaltung, der die Impulse zugeführt werden, gibt an ihrem Ausgang eine
Gleichspannung ab, welche der Impulshöhe und damit der
an der Meßelektrode herrschenden Feldstärke En proportional ist.
Jeder in ein elektrisches Feld eingebrachte Leiter verändert
in einem bestimmten Maß das ursprüngliche Feld; dies gilt
auch für das EFM. Die am Meßkopf herrschende Feldstärke E ist in einer gegebenen Meßanordnung der ursprünglichen Feldstärke Eo proportional: Eo = kE.
Wird die Geometrie zwischen Meßkopf und felderzeugendem Leiter beibehalten, so lassen sich vergleichende Messungen ohne jede Beeinträchtigung durchführen. Aber
auch Meßreihen, in denen diese Geometrie in gewissem
Umfang geändert wird, sind möglich, solange der Faktor k
dabei hinreichend konstant bleibt.
Die werkseitige Kalibierung des Gerätes erfolgt in einer
speziellen Kalibrieranordnung; sie besteht aus einem Plattenkondensator, dessen eine Platte im Zentrum eine kreisförmige Ausnehmung besitzt, in die der Meßkopf des EFM
niveaugleich eingebettet ist. In dieser Anordnung wird die
Meßwertanzeige so eingestellt, daß sie der für einen Plattenkondensator aus Spannung U und Plattenabstand d berechenbaren Feldstärke E = U/d entspricht. In einem Plattenkondensator wird also mit dem EFM direkt das ungestörte Feld gemessen, d. h. es ist k = 1 und E = Eo; dabei
muß der Plattenabstand d = 100 mm sein. Im Versuch läßt
sich eine solche Kondensatoranordnung herstellen, indem
eine Platte des großen Aufbaukondensators 06233.00
durch die Kondensatorplatte mit Bohrung 11500.01 ersetzt
wird, die auf das EFM aufzuschrauben ist (Abb. 2).
Zur elektrostatischen Spannungsmessung wird vor den
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5
Buchsenpaar „14 … 18 V“
zwei 4-mm-Buchsen zum Anlegen der Betriebsspannung für Schaltung und Motorelektronik des EFM. Erforderlich ist eine geglättete, erd- und massefreie
Gleichspannung zwischen 14 und 18 V.
6 Bereichstaste
zur Wahl des Meßbereiches. Der gewählte Feldmeßbereich wird durch Leuchtdioden angezeigt.
7 Tabelle
der Feldmeßbereiche und der zugeordneten Spannungsmeßbereiche bei aufgesetztem Spannungsvorsatz.
8 Meßkopf
Vergoldetes Meßsystem (d ≈ 45 mm), bestehend aus
einer Meßelektrode mit 6 gleichen, symmetrisch angeordneten Sektoren, einer komplementären Hilfselektrode zur Nullpunkjustierung sowie einem Chopperrad
mit 6 Flügeln entsprechender Form.
Zum Schutz des empfindlichen Meßsystems bei Nichtgebrauch des Gerätes dient die Schutzkappe 8.1; sie
kann außerdem zur Abschirmung des Meßkopfes bei
der elektrischen Nullpunktjustierung benutzt werden.
9 Gewindebohrungen
zum Anschrauben des zum Gerät gehörigen Spannungsvorsatzes 10 sowie der Kondensatorplatte
11500.01 für Feldmessungen im Plattenkondensator.
10 Spannungsvorsatz
zur leistungslosen, statischen Messung von Gleichspannungen (Ri ≈ 1016 Ω). Die Meßbereiche werden
mit der Taste 6 gewählt.
Der vergoldete Spannungsvorsatz enthält eine – im
Durchmesser dem Meßsystem angepaßte – Kondensatorplatte, die höchstohmig isoliert in einer Metallabschirmung gehaltert ist. Mit den Schrauben 10.1 wird
der Spannungsvorsatz in den Bohrungen 9 des EFM
befestigt, so daß sich zwischen Kondensatorplatte und
Meßelektrode ein definierter Abstand ergibt. Zu jedem
EFM gehört aus meßtechnischen Gründen ein bestimmter Spannungsvorsatz, der durch die gleiche Fertigungsnummer gekennzeichnet ist.
11 Eingang für Spannungsmessung
zwei 4-mm-Buchsen (Apparateklemmen) zum Anlegen
der zu messenden Spannung.
Die Buchse 11.1 ist mit der Kondensatorplatte des
Spannungsvorsatzes, die Buchse 11.2 mit der Metallabschirmung und damit der Gehäusemasse verbunden.
Abb. 2: Kalibrieranordnung für das Elektrofeldmeter (abgebildet ist das ältere Modell 11500.00).
Meßkopf in definiertem Abstand eine – isoliert im Spannungsvorsatz gehalterte – Kondensatorplatte gesetzt. Die
vom EFM gemessene Feldstärke ist dann ein Maß für die
an den Kondensator angelegte Spannung.
3 FUNKTIONSELEMENTE
Das Gerät besitzt folgende Funktions- und Bedienelemente
(Abb. 3):
1 Gehäuse
Metallgehäuse (70 mm x 70 mm x 150 mm) mit abschraubbarem Stiel (d = 10 mm, l = 145 mm). Ein Querloch (d = 4 mm) im Stiel dient zum Erden des Gehäuses.
2 Drehknopf „←0→“
zur elektrischen Nullpunkteinstellung.
3 Ausgang „± 10 V“ (Ra ≥ 10 kΩ)
4-mm-Buchsenpaar zum Anschluß eines beliebigen
Spannungsmessers mit Meßbereich 10 V −. Zur Anzeige der Feldrichtung ist eine Anzeige mit Nullpunkt in
der Skalenmitte von Vorteil (z.B. Analog-Demo-Multimeter ADM 2, 13820.00). Die Minusbuchse des Ausganges ist mit der Gehäusemasse verbunden.
4 9-polige Sub-D-Buchse
zum Anschluß der seriellen Schnittstelle eines Computers über das mitgelieferte Spezialkabel.
Abb. 3: Funktions- und Bedienelemente
7
1
2
3
6
4
5
2
11500.10
durchgeführt, der hierzu mit einer Verbindungsleitung kurzzuschließen ist. Bei Feldstärkemessungen in einem der
Eichapparatur ähnlichen Plattenkondensator, in dessen
eine, mit Loch versehene Platte der Meßkopf eingeführt ist,
erfolgt die Nullpunktjustierung bei kurzgeschlossenen Kondensatorplatten.
Bei relativ offenen Meßanordnungen, in denen der Meßkopf
gegen Störfelder der Umgebung nicht abgeschirmt ist, wird
der Zeigerausschlag auch durch den Experimentierenden
selbst – z. B. beim Betätigen von Drehknopf 2 – beeinflußt
werden; zum Ablesen der Zeigerstellung muß man sich
deshalb genügend weit vom EFM entfernen. Dies gilt sowohl für die Nullpunktjustierung wie für die eigentliche Messung.
Die Nullpunktdrift des EFM ist relativ klein und kann praktisch über den Zeitraum der Versuchsdurchführung vernachlässigt werden. Sofern jedoch mit offener Versuchsanordnung gearbeitet wird, muß damit gerechnet werden, daß
elektrostatische Störfelder sich unkontrolliert ändern bzw.
sogar im Laufe des Versuchs neu entstehen. Es empfiehlt
sich deshalb, die Nullpunktkontrolle zwischendurch zu wiederholen.
4 HANDHABUNG
4.1 Inbetriebnahme
An das Buchsenpaar 5 ist eine geglättete, erd- und massefreie Betriebsgleichspannung zwischen 14 und 18 V polrichtig zu legen. Die Spannungsquelle muß bis 200 mA belastbar sein; geeignet sind das Universal-Netzgerät
13500.93 oder das Doppelnetzgerät 13520.93. Die erforderliche Erdung des EFM wird zweckmäßig am 4-mmQuerloch des Gehäusestiels vorgenommen. Dieses Loch
kann auch dazu benutzt werden, die Stielverschraubung mit
Hilfe eines Steckers o. ä. fest anzuziehen.
An den Ausgang 3 ist ein beliebiger Gleichspannungsmesser mit geeignetem Meßbereich anzuschließen. Die Ausgangsspannung wächst linear mit der Feldstärke; sie erreicht beim gewählten Meßbereichsendwert je nach
Feldrichtung +10 V oder -10 V. Als optimale Lösung für die
Demonstration empfehlen wir das Analog-Demo-Multimeter
ADM 2, 13820.00 mit dem ±10-V-Meßbereich mit Nullpunkt
in der Skalenmitte. Ein positiver Zeigerausschlag bedeutet
– sofern das Drehspulinstrument polrichtig an Ausgang 3
liegt – ein zur Metallelektrode h i n gerichtetes Feld bzw. ein
gegenüber der Gerätemasse positives Potential der Kondensatorplatte des Spannungsvorsatzes.
Achtung: Beim Einschalten des Gerätes darf auf den Meßkopf kein größeres Feld einwirken, da dieses den automatisch durchgeführten Funktionstest stören würde. Decken
sie daher den Meßkopf beim Einschalten mit der Schutzkappe 8.1 ab, bzw. schließen sie bei Verwendung des
Spannungsmeßkopfes 10 dessen Eingang 11 kurz. Das
Gerät ist nach dem Einschalten funktionsbereit, sobald die
Leuchtdioden für die Bereichsanzeige nicht mehr blinken.
Wenn das Blinken nicht nach wenigen Sekunden endet, so
wurde der Funktionstest durch elektrische Felder gestört.
Die Versorgungsspannung ist in diesem Fall kurzzeitig auszuschalten und bei feldfreiem Meßkopf erneut einzuschalten.
4.3 Behandlung des Meßsystems
Das vergoldete Meßsystem (und auch die Kondensatorplatte des Spannungsvorsatzes) sollte nicht verunreinigt
und auch nicht mit der Hand berührt werden. Vor allem darf
nicht in das rotierende Chopperrad gegriffen werden. Für
einen unerfahrenen Beobachter ist das Rotieren nicht ohne
weiteres visuell oder akustisch erkennbar. Auch die TeflonIsolierung des Spannungsvorsatzes sollte nicht berührt
oder gar verunreinigt werden, damit sich keine leitenden
Oberflächen bilden. Bei Nichtgebrauch ist das empfindliche
Meßsystem – sofern nicht der Spannungsvorsatz aufgeschraubt ist – mit der Schutzkappe abzudecken.
4.4 Hinweise für das Arbeiten mit dem EFM
Die Aufstellung des EFM wird sich nach den jeweiligen Versuchsanforderungen richten. Die Meßelektrodenfläche
sollte dabei senkrecht zur Richtung des untersuchten Feldes angeordnet sein.
Die Hauptursache für unbefriedigende Ergebnisse bei elektrostatischen Versuchen sind neben mangelhafter Isolation
von Stielen und Stellzeug vor allem elektrostatische Störfelder. Ihre Ursachen können sowohl geladene Körper sein,
die nicht zur eigentlichen Meßanordnung gehören (z. B.
Hochspannungsquelle), wie auch Ladungen, die unkontrollierbar auf isolierenden Kunststoffoberflächen sitzen. Zur
Ausschaltung dieser Fehlerquellen seien im folgenden einige Hinweise gegeben.
Das Hochspannungsgerät ist möglichst weit vom EFM entfernt aufzustellen, damit sein Feld die Messung so wenig
wie möglich stört. Sofern es das Experiment erlaubt, schaltet man während der Messung die Spannung ab; dabei ist
es im allgemeinen zweckmäßig, die Spannungseinstellung
nicht zu verändern.
Auf dem Experimentiertisch lassen sich Ladungen durch
Besprühen mit einem Antistatik-Spray beseitigen oder wenigstens reduzieren. Man vermeide, daß eine spannungsführende Verbindungsleitung mit der Tischfläche in
Berührung kommt. Weitgehend unkritisch hingegen ist die
Leitungsführung bei Verwendung der 0,5 m bzw. 1 m langen Verbindungsleitungen 30 kV, Best.-Nr. 07366.00 bzw.
07367.00.
Eine u. U. sehr beträchtliche Störquelle sind Ladungen, die
auf Kleidungsstücken mit Kunststoff-Fasern sitzen. Ihr Feld
macht sich bemerkbar, wenn der Experimentierende in die
Nähe des EFM kommt. Es ist deshalb zu empfehlen, bei
elektrostatischen Versuchen keine solche Kleidung zu tra-
4.2 Elektrische Nullpunktjustierung
Vor der Messung ist noch die elektrische Nullpunktjustierung vorzunehmen, denn auch im Fall, daß auf die Meßelektrode des Gerätes kein elektrisches Feld einwirkt, kann
der Zeiger des Anzeigeinstrumentes von dem mechanisch
eingestellten Nullpunkt abweichen. Mit dem Drehknopf 2
des EFM läßt sich die entsprechende Korrektur der Zeigerstellung vornehmen, und zwar am genauesten, wenn
mit Taste 6 der empfindlichste Meßbereich eingestellt ist.
Die Nullpunktjustierung muß selbstverständlich bei Abwesenheit des zu messenden Feldes erfolgen.
Es ist zu beachten, daß zusätzlich zum Meßfeld u. U. noch
elektrostatische Störfelder – verursacht durch geladene
Teile der Umgebung – auf den Meßkopf einwirken. Für die
Justierung ließen sich diese Felder zwar leicht mit der
Schutzkappe 8.1 abschirmen, bei der eigentlichen Messung (ohne Kappe) wären sie jedoch wieder wirksam. Die
Existenz von Störfeldern ist daran zu erkennen, daß die Zeigerausschläge mit und ohne Schutzkappe erheblich differieren. Elektrostatische Störfelder sollten weitgehend vermieden werden. Ein geringes Restfeld läßt sich durch die
elektrische Nullpunktjustierung aus dem Meßergebnis eliminieren.
Eine weitere die Messung beeinflussende Größe ist die Voltaspannung zwischen Meßelektrode und Meßapparatur
(Umgebung). Ihr Feld wird allerdings nur beim Arbeiten im
empfindlichsten Meßbereich merklich ins Gewicht fallen. Es
läßt sich eliminieren, wenn man die elektrische Nullpunktjustierung in der Versuchsanordnung selbst vornimmt, die
hierzu natürlich entladen sein muß. Praktische Beispiele:
Für elektrostatische Spannungsmessungen wird die Nullpunktjustierung bei aufgesetztem Spannungsvorsatz 10
3
11500.10
gen. Auf jeden Fall sollte der Experimentierende beim Ablesen des Meßwertes eine den Umständen gemäße Distanz zum EFM einhalten.
Besondere Aufmerksamkeit ist den Plexiglasstielen zu widmen, an denen isolierte Leiter, z. B. Konduktorkugeln, gehaltert sind. Nicht nur, daß durch Verunreinigungen oder
einen Feuchtigkeitsfilm der Isolationswiderstand herabgesetzt wird, sondern auf den Stielen sitzen oft auch Ladungen, welche die Messungen verfälschen. Es empfiehlt sich
deshalb, die Stiele vor Gebrauch zu säubern, und zwar in
lauwarmem Wasser mit Spülmittelzusatz. Nach dem Trocknen kann man sie ggf. in Klemmsäulen haltern und so ein
erneutes Verschmutzen durch unkontrolliertes Anfassen
vermeiden. Um die Stiele von Ladungen zu befreien, kann
man sie ein- oder zweimal an einer Flamme vorbeiziehen,
wodurch gleichzeitig ein noch anhaftender Feuchtigkeitsfilm
beseitigt wird. Man erhitze jedoch nicht zu stark, da sonst
eine Verformung des Plexiglases eintritt. Diese Flammenbehandlung sollte man auch zwischenzeitlich während
einer Meßreihe durchführen und die Ladungsfreiheit mit
dem EFM kontrollieren.
5 BESCHREIBUNG DER DATENSCHNITTSTELLE
Zur Datenausgabe kann an das EFM ein PC mit Hilfe des
beiliegenden Datenkabels angeschlossen werden. Der Anschluß erfolgt direkt an einer 9-poligen seriellen (RS232)
Schnittstelle (Sub-D-Stecker) des Computers. Zum Anschluß an Computer mit 25-poligem Anschluß ist ein handelsüblicher Adapter erforderlich.
Das migelieferte Kabel hat folgende, für beide Stecker gleiche Pin-Belegungen:
RxD = 2
DTR = 4
RTS = 7
Die Abschirmleitung ist an einem der beiden Stecker abgetrennt, um Potentialausgleichströme zwischen Rechner und
EFM zu verhindern. Bei Problemen mit der Datenübertragung ist zu prüfen, ob es sich beim verwendeten Kabel um
das mitgelieferte Originalkabel handelt.
Ein einfaches Programm zur Ausgabe von Meßwerten liegt
dem Gerät bei. Fragen Sie bitte bei Bedarf nach dem aktuellen Stand der lieferbaren Software an.
5.1 Informationen für Programmierer
Die folgende Schnittstellenbeschreibung ist nur für Anwender zu beachten, die eigene Programme erstellen möchten.
Dies setzt in jedem Falle gute Kenntnisse über die RS232Schnittstelle voraus.
Damit die Schnittstelle funktioniert, müssen am PC RTS = 1
und DTR = 0 gesetzt werden. Die Daten werden dann auf
RxD empfangen. Geeignet ist jeder PC ab xx286, dessen
serielle Schnittstelle wie folgt eingestellt ist: 9600 Baud,
8 Databit, no parity, 1 Stopbit.
Das EFM sendet alle 100 ms Meßdaten. Dabei handelt es
sich jedesmal um 2 Byte unmittelbar hintereinander. Zur
Unterscheidung ist das LSB (Bit 0) vom 1. Byte immer „1“
und das LSB vom 2. Byte immer „0“. Die Meßwerte werden
mit einer Auflösung von 8 Bit und einem zusätzlichen Bit für
das Vorzeichen übergeben; die ersten 7 Bit stehen im zweiten Byte während das letzte Bit im ersten Byte als vorletztes Bit (Bit 1) übergeben wird. Die übrigen Bits des ersten
Byte liefern Informationen über den eingestellten Meßbereich und Fallunterscheidungen zum ausgegebenen
Meßwert gemäß folgender Tabelle:
4
1.Byte
0VRRRRN1
1V0010N1
1-0110N1
1V1010N1
1V1110N1
2.Byte
Wert
XXXXXXX0
Meßwert
XXXXXXX0
Meßwert
XXXXXXX0 Betr.-Spannung
XXXXXXX0
Meßwert
XXXXXXX0 Betr.-Spannung
Zeitpunkt
alle 100 ms
Ausschaltung
Spannung zu klein
Funktionsfehler
Einschaltung
Die Bezeichnungen der einzelnen Bits bedeuten:
N = LSB des Meßwerts
X = Meßwert (Dem Meßbereichsendwert entsprechen
200 Bit.)
R = Range (insgesamt 4 Bit)
0001
1 kV/m
0010 10 kV/m
0100 100 kV/m
V = Vorzeichen des Meßwerts (1 = negativ, 0 = positiv)
Normale Meßwerte erkennt man daran, daß stets das MSB
(Bit 7) von Byte 1 den Wert „0“ hat. Ist das MSB dagegen
„1“, so wird eine wichtige Nachricht mit dem zugehörigen
Meßwert geliefert.
6 LITERATURHINWEIS
Versuchseinheiten Physik
Das elektrische Feld 1
Das elektrische Feld 2
7 TECHNISCHE DATEN
Betriebsspannung
Stromaufnahme
Ausgangswiderstand
Ausgangsspannung
Kurzzeitdrift
Arbeitstemperatur
Zul. Luftfeuchtigkeit
Gehäuseabmessungen in mm
Stiel
Gewicht
Feldmessung
Meßbereiche
Genauigkeit (Kalibrieranordnung nach Abb. 2)
Spannungsmessung
Meßbereiche
Genauigkeit
Eingangswiderstand
Eingangskapazität
16100.01
16100.11
14…18 V –
< 200 mA
10 kΩ
± 10 V −
< 1 %/h
10 … 40 °C
bis 70 % rel. Feuchte
70 x 70 x 150
d = 10 mm, l = 145 mm
0,67 kg
1/10/100 kVm–1
±3%
10/100/1000 V–
± 3%
ca. 1016 Ω
ca. 10 pF
8 GARANTIEHINWEIS
Für das von uns gelieferte Gerät übernehmen wir eine Garantie von 6 Monaten; sie umfaßt nicht den natürlichen Verschleiß sowie Mängel, die durch unsachgemäße Behandlung entstehen.
Der Hersteller kann nur dann als verantwortlich für Funktion
und sicherheitstechnische Eigenschaften des Gerätes betrachtet werden, wenn Instandhaltung, Instandsetzung und
Änderungen daran von ihm selbst oder durch von ihm ausdrücklich ermächtigte Stellen ausgeführt werden.
9 MATERIAL
Analog-Demo-Multimeter ADM 2
Kondensatorplatte mit Bohrung, d = 55 mm
Aufbaukondensator, groß
Netzgerät, universal
oder
Doppelnetzgerät
13820.00
11500.01
06233.00
13500.93
13520.93
11500.10