Christian, den Bildern möchte
ich noch hinzufügen, bei dem Messgerät handelt es sich um ein
Gerät zur Messung der elektrischen Feldstärke. Sehr oft
werden diese Geräte benutzt um z.B. die ESD Tauglichkeit von
Materialien sowie Arbeits- und Fertigungsplätze zu beurteilen.
Die Grundfunktion: man bringt den scheinbar vergoldeten sich schnell
drehenden Propeller an den Ort an dem die elektrische Feldstärke
gemessen werden soll. Der Propeller bildet zusammen mit einer zweiten
Metallscheibe einen Kondensator mit Luft als Dieelektrikum. Durch die
alternierende Anordnung der beiden "Platten" zueinander ist
gewährleistet, das die Kapazität abhängig von der
Drehzahl moduliert wird.
Wird nun der entladene nicht rotierende Kondensator in die Nähe
von einem konstanten elektrischen Feld gebracht, so beginnt dieser
sich aufzuladen und es fließt ein kurzer kleiner Strom und danach
stellt sich wieder ein stationörer Zustand mit i=0A im Kondensator
ein. Schaltet man nun den Propeller ein, bewirkt dies eine von der
Drehzahl modulierte Kapazitätsänderung des Kondensators. Die
wechselnde Kapazitätsänderung in einem konstanten
elektrischen Feld bewirkt einen Wechselstrom durch den Kondensator.
Die Drehzahl und der Kapazitätsverlauf vs. Winkelgrade ist
bekannt, der Wechselstrom ist nun abhängig von der unbekannten
Meßgröße der konstanten elektrischen Feldstärke,
die zumeist eine DC Größe ist, oder zumindest als
ausreichend konstant zu betrachten ist im Laufe einer Messung.
Dieser enstehende kleine Wechselstrom kann nun beispielsweise über
einen empfindlichen, fast immer sehr hochohmigen Ladungsverstärker
(I zu U Wandler) in eine Spannung umgewandelt werden, die in einer
skalierten, bekannten Beziehung zur Messgröße steht.
Ein "beinahe Beispiel" für einen Ladungsverstärker mit einem Operationsverstärker findet sich
hier.
Die gezeigte Übertragungsfunktion ist nicht ganz korrekt, sie muss
noch erweitert werden mit dem Propellerkondensator in Reihe zu R2. Als
Signalquelle Uin dient nach dieser Betrachtung dann eine Gleichspannung
(besser das E-Feld), deren Strom dann durch den Propellerkondensator
moduliert wird. Das ergibt eine nicht ganz triviale
Differentialgleichung. Ein anderer Denkansatz ist es sich gleich den
entstehenden Wechselstrom aus dem Feld und dem Propellerkondensator zu
errechnen und dann diesen durch die Parallelschaltung aus R1 und C1
fließen zu lassen. Anhand der Impedanz dieser Parallelschaltung
ergibt sich eine Wechselspannung zwischen Uout und dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers der auf Null liegt (fast
zumindest, Offsetspannung).
Bei einer praktischen Dimensionierung ist meist R1 sehr hochohmig und
C1 sehr klein. R2 wird meist sehr klein gehalten oder ganz darauf
verzichtet. Der idealisierte Ladungsverstärker erhält dann im
eingeschwungenen Zustand die Übertragungsfunktion
-(Cpropeller/C1). Aus praktischer Sicht von Bedeutung ist hier die
Auswahl eines geeigneten Op, am besten einer mit sehr niedrigen
Eingangsströmen verglichen zu den zu messenden Strömen. Die
Eingangsströme sollten zusätzlich über den gesamten
Messbereich hinweg relativ konstant bleiben, was die
Gerätekalibration erleichtert und die Linearität verbessert.
Es ist durchaus möglich mit einer Auflösung im Fempto
Ampere Bereich die Wechselströme am Op Ausgang abzubilden.
Ladungsverstärker zu bauen ist nicht einfach und voller Fallen,
bei Beachtung einiger sonst selten relavanten Punkten aber eine
durchaus lösbare Aufgabe.
Anmerkung: dieses gezeigte
Messgerät muss nicht so arbeiten wie von mir beschrieben, die
Funktionsweise ist reine Spekulation meinerseits, entstanden in den
letzten Minuten in denen ich diese Zeilen geschrieben habe und mir
dabei vorgestellt habe wie ich diese Aufgabe im ersten Ansatz
angehen würde.