Feldmühle
Ein Messgerät für elektrische Felder

Eine Feldmühle (engl. field mill) oder auch Rotationsvoltmeter genannt, ist ein Messgerät für elektrostatische Felder. Das Messen der elektrischen Feldstärke ist grundsätzlich sehr einfach. Da diese als Volt pro Meter definiert ist, reicht es prinzipiell aus, eine Spannungsmessung an zwei, in einem definierten Abstand befindlichen Elektroden vorzunehmen, um die Feldstärke berechnen zu können. Das Problem dabei ist, dass fast alle Voltmeter einen gewissen Strom für die Anzeige benötigen. (Eines der wenigen leistungslosen Messgeräte ist z.B. das Elektroskop) Ein kontinuierlicher Strom kann von einem statischen Feld aber nicht zur Verfügung gestellt werden und so kommt es mitunter zu sehr starken Verfälschungen im Messergebnis durch Feldverzerrungen.

Die Feldmühle umgeht dieses Problem, indem sie das Prinzip der elektrostatischen Influenz nutzt, um über ein rotierendes Flügelrad einen ausreichend großen Strom zu erzeugen, mit dem ein Messgerät arbeiten kann. Wird nämlich eine sich im Feld befindliche Elektrode von dem geerdeten Flügelrad abgedeckt, so fließen die Ladungen von dieser Elektrode gegen Masse ab. Wird sie wieder aufgedeckt, so influenziert das Feld erneut Ladungen, die von Masse auf die Elektrode fließen müssen. Dieser Strom ist proportional zur Feldstärke. Die Leistung, die das angeschlossene Messgerät benötigt, wird hierbei über die mechanische Rotation des Flügelrades erzeugt. Dem zu messenden Feld wird keine Energie entzogen und es bleibt somit von der Messung unbeeinflusst.

Prinzipbui Üblicherweise werden zwei oder mehr Influenzelektroden bestehend aus jeweils 2 gegenüberliegenden, miteinander verbundenen Segmenten verwendet. Der Strom von diesen Flächen wird über zwei Stromshunts geführt und die abfallende Spannung durch zwei Messverstärker für die weitere Verarbeitung aufbereitet.
Prinzipiell würde es auch mit einer Elektrode funktionieren, aber der überall vorhandene 50Hz Netzbrumm koppelt stark in die hochohmigen Elektroden ein und kann so das Messergebnis verfälschen. Der nach geschaltete Differenzverstärker löst dieses Problem, indem er die Störungen, die annähernd gleichphasig in beide Elektroden einkoppeln zu Null subtrahiert. Die Nutzspannungen sind gegenphasig und addieren sich.
Die so gewonnene Wechselspannung enthält jetzt in ihrer Amplitude die Information über die Größe der Feldstärke, die Polarität kann aus ihr nicht abgelesen werden. Dazu ist es notwendig, eine von der Rotorstellung abhängige Gleichrichtung des Signals vorzunehmen. Hier zeigt sich wieder einmal der starke Bezug der Elektrostatik zur Geometrie. Es kommt darauf an, ob der Strom beim Abdecken einer Elektrode zu oder von ihr fließt. Das erledigt ein über das Flügelrades gesteuerte Gleichrichter. Das gleichgerichtete Signal wird noch geglättet und man erhält so am Ausgang eine der Feldstärke proportionale Gleichspannung.

Aufbau: 
Der hier vorgestellte Aufbau geht auf die Idee von Stefan Kneifel zurück. Der Schaltplan seiner Feldmühle, den er auch im Praxisheft 12 des AATIS veröffentlicht hat, diente als Basis für die von mir verbesserte Version. An dieser Stelle vielen Dank an Stefan, dass er das doch relativ unbekannte Prinzip der Feldmühle aufgezeigt hat.

Die beiden Plättchen des Lichtschranken-Unterbrechers werden auf zwei gegenüberliegende Seiten der Wellenkupplung gelötet, es ist daher wichtig, sie aus Messing bzw. Kupfer zu fertigen. Das Flügelrad und der fertige Unterbrecher müssen den gleichen Deckungswinkel von 2x90° aufweisen.

  Die Grundplatte ist eine handelsübliche 1,6mm dicke, doppelseitige Leiterplatte. Abmessungen des Layouts 60x60mm Auf eine Seite werden die 4 Influenzelektoden geätzt, die andere Seite bleibt dis auf die Durchführungen voll beschichtet und dient als Massefläche, um einen definierten Abstand der Elektroden zur Erde herzustellen. Zusätzlich werden so auch Störungen vom Motor abgeschirmt. Über 4 versenkte M3 Schrauben wird der Anschluss der Elektroden hergestellt. Auf der Oberseite erfolgt die Verbindung von Schraube zur Leiterplatte am besten mit Leitsilber, alternativ dazu kann man es auch verlöten und anschließend glatt feilen.
 

Die fertige Mechanik ohne Printplatte. Unter dem Flügelrad ist der Unterbrecher zu sehen. Rechts am Motor sind die zwei gegen Masse geschalteten Entstörkondensatoren zu erkennen. Der Motor ist ein 12V-Motor aus einem Kassettenrecorder. Solche Typen haben den Vorteil, dass sie sehr gut gegen elektromagnetische Störungen abgeschirmt sind und das ist wichtig, um nicht die Messung zu beeinflussen. Zusätzlich erfolgt der Anschluss des Motors über zwei Widerstände R25 und R26 in der Schaltung, um jegliche Einkopplungen zu vermeiden.

Das Bild zeigt die Unterseite der Printplatte mit den angeschlossenen Messleitungen, dem Unterbrecher in der Mitte und rechts die Lichtschranke. Die Lichtschranke besteht aus einer IR-Diode und einem Phototransistor, die auf einer Lochprint montiert sind, diese wird einfach auf der Unterseite der Printplatte angelötet, sodass der Unterbrecher sie durchstreichen kann.

Schaltung:
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Die beiden Messelektroden werden an ST1 und ST2 bzw. ST3 und ST4 über abgeschirmte Leitungen angeschlossen. R1 und R2 dienen als Messwiderstand für den abfließenden Strom. Mit U1A und U1B werden die Spannungen für die nachfolgende Bearbeitung entkoppelt. U2A bildet einen Differenzverstärker mit v=1, er hat die Aufgabe, die beiden um 180° verschobenen Messspannungen voneinander zu subtrahieren. Dabei addieren sich gleichphasige Störungen zu Null und die beiden gegenphasigen Messspannungen addieren sich zum doppelten Wert.

Die Auswertung der Lichtschrankensignale übernimmt U2D. Die Leuchtdiode wird an ST5 und ST6 angeschlossen, der Phototransistor an ST7 und ST6. U2D schaltet genau bei der halben Betriebsspannung des Phototransistors und erzeugt so ein sauberes Rechtecksignal. Dieses wird mit IC1A noch zusätzlich invertiert. Das invertierte und nicht invertierte Lichtschrankensignal steuert die beiden Analogschalter IC1C und IC1D nun abwechselnd an. U2B bildet ebenfalls einen Differenzverstärker, dessen nicht invertierender Eingang nun abwechselnd auf das Messsignal und dann auf Masse geschaltet wird. Liegt er an Masse, so arbeitet U2B als invertierender Verstärker mit v=1 und das Signal kommt invertiert durch. Liegt er jedoch am Messsignal, so arbeitet er am nicht invertierenden Eingang mit v=2 und am invertierenden mit v=1 das bedeutet, dass jetzt das Messsignal 1:1 übertragen wird. Dieser steuerbare Gleichrichter gibt so dem Messsignal über die Lichtschrankensignale wieder die Information über die Polarität zurück.
Das gleichgerichtete Signal wird über R17 und C1 geglättet und in eine reine Gleichspannung umgewandelt. Am Eingang des Endverstärkers U2C wird noch über R23 ein mit P2 einstellbarer Gleichspannungsoffset dazu addiert, der den Gesamtoffset der Schaltung auf Null einstellt. Mit P1 wird die Verstärkung und somit die Kalibrierung auf die Feldstärke eingestellt.

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Das dazu passende Netzteil besteht aus Standard Spannungsreglern. Die 5V dienen zur Versorgung des digitalen Messgerätes zur Anzeige. Die beiden 8V Spannungsregler IC2 und IC3 versorgen die Feldmühle, sie sind auf einem Kühlkörper untergebracht, daher muss einer von ihnen isoliert aufgesetzt werden, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Die nachgeschalteten Dioden D5 und D6 haben die Aufgaben, aus den 8V etwa 7,5V zu machen, damit der 4066 in der Feldmühle nicht mehr als 15V abbekommt. Versorgt wird die ganze Schaltung von einem kleinen 7VA Ringkerntrafo mit 2x9V.

Layouts:
   

Das Layout der Feldmühle wird auf eine einseitige Printplatte mit den Abmessungen 60x60mm geätzt. Bei der Bestückung nicht auf die 5 Drahtbrücken vergessen !

   

Das Layout des Netzteils wird auf eine einseitig Printplatte mit den Abmessungen 72x40mm geätzt. Bei der Bestückung nicht auf die Drahtbrücke vergessen ! Die Bauteilwerte für die richtige Bestückung beider Platinen entnehmen sie der Stückliste.

Gesamtaufbau:
Die Feldmühle wird in einem kleinen Alu-Gehäuse mit 80x70x60mm untergebracht. Auf der Oberseite wird ein Loch mit 50mm Durchmesser ausgeschnitten, sodass genau die Messelektroden und das Flügelrad hindurchpassen.
Die Stromversorgung und die Anzeige werden in einem separaten Kunststoffgehäuse untergebracht. Als Anzeige dient ein handelsübliches, 3 1/2 stelliges digital Einbaumessgerät, dessen Messbereich von 200mV auf 2V umgeschaltet werden kann. So ergeben sich dann zwei Messbereiche für die Feldstärke mit einem Endausschlag von 20kV/m bzw. 200kV/m.
Wichtig für eine korrekte Messung ist, dass der Schutzleiter auf dem Gehäuse der Feldmühle angeschlossen ist und das nicht nur wegen dem Berührungsschutz, sondern auch um eine sichere Massefläche für die Feldlinien bereitzustellen. Die Feldmühle sollte keinesfalls in ein Kunststoffgehäuse eingebaut werden, da sich dieses durch Berührungen elektrostatisch auflädt und das Messergebnis verfälscht.

Abgleich:
Mechanischer Abgleich:
Damit die Gleichrichtung einwandfrei arbeiten kann, ist es wichtig, dass der Unterbrecher und das Flügelrad exakt synchron laufen. Um den Abgleich durchzuführen, schließt man ein Oszilloskop mit einem Kanal an  Pin 1 von U2 (Messsignal, im Bild Ch1) und mit dem anderen Kanal an Pin 14 von U2 (Lichtschrankensignal, im Bild Ch2) an. Optional kann man auch noch Pin 7 von U2 (Gleichgerichtetes Signal, im Bild Ch3) kontrollieren. Dann bringt man ein Feld, auf die Elektroden, z.B. durch Annähern eines geriebenen Kunststofflineals. Die Messspanung wird dann einen sinusähnlichen Verlauf zeigen. Durch mechanisches Verdrehen des Flügelrades zum Unterbrecher stellt man jetzt das Lichtschrankensignal so ein, dass es genau im Nulldurchgang der Messspannung die Polarität wechselt. Die gleichgerichtete Spannung muss bei richtiger Einstellung je nach Polarität gänzlich unter bzw. über der Nulllinie liegen, wie in Ch3 zu sehen ist.

Elektrischer Abgleich:
Der Gleichspannungsoffset der Schaltung muss zu Null korrigiert werden. Dazu deckt man die Feldmühle mit einer geerdeten und mit Masse verbundenen Metallplatte ab. Dann stellt man mit P2 die Gleichspannung am Ausgang genau auf Null.

Da mit diesem Gerät vor allem die Polarität von Feldern bestimmt werden kann, ist es natürlich auch wichtig, dass diese stimmt. Zur Kontrolle verwendet man eine Gleichspannung von ca. 30V mit bekannter Polarität. Diese bringt man auf eine kleine Metallplatte und dann in die Nähe der Feldmühle. Ist der positive Pol an der Platte und der negative an Masse, so muss auch eine positive Spannung am Ausgang erscheinen. Ist die Polarität falsch, so vertauscht man einfach die Anschlüsse der beiden Messeingänge ST1/2 mit ST3/4.

Eichung:
Die Einheit Volt pro Meter (V/m) ist eine sehr kleine Einheit. Die Feldstärke, die einem V/m entspricht wird in einem Plattenkondensator mit einem Plattenabstand von 1 Meter bei einer angelegten Spannung von einem Volt erzeugt. Solche geringen Felder kommen in der Praxis kaum vor. In der Natur liegt z.B. die so genannte Schönwetterfeldstärke unter freiem Himmel bei 200 bis 300V/m, bei Gewittern steigt sie bis auf einigen kV/m.

Für die Eichung ist es wichtig, ein möglichst homogenes Feld zu erzeugen. Man kann dazu wie hier, eine völlig beschichtete Printplatte mit 4 3cm hohen Abstandhaltern auf die Feldmühle stellen. An die Platte legt man gegenüber Masse eine Gleichspannung von 300V an. Höchste Vorsicht ist geboten, wenn man diese Spannung aus dem Netz gewinnt ! Es darf nur eine Einweggleichrichtung benutzt werden, damit es zu keinem Kurzschluss über die Masse kommt und vor allem kann eine Berührung mit der Spannung lebensgefährlich sein.
Zwischen der Printplatte und dem Gehäuse der Feldmühle ergibt sich so eine Feldstärke von genau 10kV/m. Die Einstellung der Anzeige wird mit P1 so vorgenommen, dass genau 100mV am Ausgang erscheinen. Zu beachten ist, dass sich die Abstandhalter u.U. elektrostatisch aufladen und so das Ergebnis verfälschen können.
Wer etwas mehr basteln will, der kann auch zwei A4-Kartons mit Al-Folie bekleben und diese in einem Abstand von 10cm zueinander anbringen. In die Massefläche wird dann ein Ausschnitt gemacht, der so groß ist, dass die Feldmühle gerade mal hindurch passt. Die verfälschenden Abstandhalter sind so weiter von der Feldmühle entfernt. An die beiden Flächen wird eine möglichst hohe Spannung, z.B. über einen Zeilentrafo, angelegt und über den Abstand auf die Feldstärke zurückgerechnet.

Anwendungen:
Die Feldmühle lässt sich vorzüglich bei elektrostatischen Experimenten, wie z.B. Influenz, Faraday Becher oder zur Polaritätsbestimmung bei der Influenzmaschine oder dem Kelvingenerator einsetzen.

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Mit diesem Versuchaufbau, zusammen mit dem Elektroskop, lässt sich die Polaritätsänderung bei der Influenz zeigen. Über der Feldmühle ist eine isolierte Metallplatte aufgestellt und gleichzeitig mit dem Elektroskop verbunden. Ein negativ geladenes Kunststofflineal wird der Platte genähert, wodurch sie sich ebenfalls negativ auflädt. Anschließend wird die Platte berührt und dadurch entladen. Beim Zurückziehen des Lineals lädt sich die Platte positiv auf. Diese Umpolung kann nur die Feldmühle sichtbar machen. Das Elektroskop macht da keinen Unterschied, was ihm wiederum die Möglichkeit zur Anzeige hochfrequenter Spannungen gibt.

Natürlich lassen sich auch die elektrostatischen Veränderungen in der Atmosphäre, vor allem beim Heranziehen von Wolken und Gewitter messen. Ebenso interessant ist es, festzustellen, welche Stoffe sich bei Reibung mit welcher Polarität aufladen. Die meisten Kunststoffe, so wie auch viele synthetische Textilien laden sich negativ auf, menschliches Haar sowie viele Naturfasern laden sich positiv auf. So bekommt positiv und negativ auch eine ganz andere Bedeutung im Sinne der Qualität von Stoffen.

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