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Feldmühle
Allgemeines: ein relativ leicht zu realisierendes Messgerät ist die sogenannte Feldmühle. Die Feldmühle misst elektrische Felder, und somit bei bekanntem Abstand das Potential, die Spannung des Messobjekts, ohne dem Messobjekt Energie zu entziehen. Somit ist die Feldmühle hervoragend dazu geeignet die Spannung von hochohmige, elektrostatische Quellen wie Elektrisiermaschinen, Bandgeneratoren u.s.w. zu messen. Im Prinzip stellt die Feldmühle einen veränderlichen Kondensator dar, der auf eine konstante Spannung, nämlich die zu messende Spannung aufgeladen ist. Die veränderte Kapazität bewirkt eine veränderte Ladung, und die Ladungsdifferenz zum vorherigen Zustand veranlasst einen Wechselstrom durch den an die Messkapazität angesclossenen Messverstärker. Dieser Meßstrom ist der Kapazitätsänderung und der Kondensatorspannung proportional, und da die Kapazitätsänderung konstruktiv konstant bleibt ist der Meßstrom ein Maß für die angelegte Spannung.
Aufbau: Schwingkondensatoren lassen sich auf verschiedenste Weise realisieren, bei der Feldmühle werden meist sektorförmige Elektroden und ein davor rotierender geerdeter Flügel, welche abwechselnd die Elektroden abdeckt und somit für die erforderlicher Kapazitätsänderung verursacht. Je zwei, gegenüberliegende Elektroden sind miteinander und mit einem Eingangspol des Verstärkers verbunden. Am Ausgang des Verstärkers steht nun eine mehr oder weniger rechteckförmige Wechselspannung zur Verfügung deren Frequenz der doppelden Drehzahl des Flügels und deren Amplitude der Stärke des elektrischen Feldes entspricht.
Der, dicht an den Messelektroden angebrachte, zweistufige Vorverstärker dient weniger einer Verstärkung des Signals sondern zur Impedanzwandlung, d.h. der sehr hochohmige Quellwiderstand der Messelektroden wird auf ein niedrige Impedanz umgesetzt die in der Lage ist das Signal störungsfrei über das Verbindungskabel vom Meßkopf zum eigentlichen Meßgerät zu übertragen.
Zur entgültigen Aufbereitung und Messung der Wechsel- spannung wird das Prinzip des Synchrongleichrichters verwendet. Durch dieses Prinzip bleiben Störungen, welche leicht durch Einstreuung von 50Hz Brummspannungen entstehen, ohne Auswirkungen. Das vereinfachte Prinzip des Synchrongleichrichters ist unten beschrieben.
Mit Hilfe eines Inverters wird aus dem Meßsignal ein um 180°
phasenverschobenes Signal erzeugt. Ein im Takt des Synchronsignals arbeitender elek-tronischer Schalter schaltet abwechselnd das Meß- und das phasenverschobene Signal auf den Eingang eines Tiefpasses. Ist das Synchronsignal im Takt zum Meßsignal entsteht am Eingang des Tiefpasses eine pulsierende Gleichspannung und am Ausgang eine geglättete Gleichspannung
Dem Meßsignal überlagerte Störspannungen welche nicht den Synchronbedingungen entsprechen werden durch den Tiefpass unterdrückt. Es sei darauf hingewiesen, daß obige Schaltung nur eine der vielen Realisierungsmöglichkeiten eines Synchrongleichrichters darstellt.
Schaltung: Zu dem schon oben besprochenem Vorverstärker befindet sich im Meßkopf noch eine Lichtschranke welche die Drehung des Flügels detektiert und somit das Synchronsignal erzeugt.
Im Meßgerät läuft das Meßsignal über einen kalibierten Spannungsteiler, welcher eine Bereichsumschaltung zwischen 20kV/m, 200kV/m und 2MV/m erlaubt. Das abgeschwächte Meßsignal und das Synchronsignal werden dem Synchrongleichrichter zugeführt. Alle notwendigen Funktionen dieser Schaltstufe sind in der integrierten Schaltung vom Typ AD 630 (Analog Device) enthalten. Der Ausgang des Gleichrichters führt über einen zweistufigen Tiefpass zu einem Gleichspannungsverstärker der den nötigen Strom für das Drehspul Anzeigeinstrument liefert.

Betrieb: Um mit der Feldmühle arbeiten zu können muß das Gerät selbstverständlich erst kalibiert werden.Dazu ist eine geeichte Gleichspannungsquelle, oder auch eine sonstige Gleichspannungsquelle und ein Spannungsmeßgerät (z.B. Multimeter) erforderlich. Ideal wäre ein Spannungsbereich von einigen Hundert Volt.
Die ein Pol der Eichspannung wird an eine leitende Platte angelegt und diese in einigem Abstand, z.B. 10 cm vor dem Meßkopf plaziert, der andere Pol wird geerdet, die Einschleifung eines Vorwiderstandes von einigen Hundert Kiloohm ist aus Sicherheitsgründen zu empfehlen. Um eine ausreichende Genauigkeit zu erreichen sollte das elektrische Feld zwischen der Platte und dem Meßkopf möglichst homogen sein, d.h. die Platte im Verhältniss zum Abstand möglichst groß um Randeffekte auszuschliesen. Ein zu kleiner Abstand erhöht allerdings wieder die Ungenauigkeit der Abstandsmessung und somit das Endresultat. Ideal wäre auch die Plazierung des Meßkopfes hinter einer zweiten, geerdeten welche einen Auschnitt in der Größe des Kopfes hat.
Die eigentiche Eichung ist dann sehr einfach, es wird ein Abstand von z.B. 10cm und eine Spannung von 1000V eingestellt, das entspricht dann einem Feld von 1000 * 10 = 10kV/m. Mit dem Trimmpoti vor dem Drehspulmeßerät wird dieser Wert dann auf der Skala eingestellt, im Meßbereich von 10kV/m. Die Eichung kann noch durch veränderte Spannungen und Abstände überprüft werden.

Oben das fertige Gerät. Die Elektroden und Flügel des Meßkopfes sind aus Platinenmaterial gefertigt. Als Gehäuse für den Meßkopf dient ein Plexiglasrohr welches in durch eine leitende, geerdete Schicht aus Graphit abgeschirmt wird. Links ein Bild in das geöffnete Gerät, die Schaltung mit ,Dank der Verwendung von IC's, wenigen Bauteilen ist auf einer Lochrasterplatine aufgebaut.