DE3632756A1 - Feldsensor fuer elektrische felder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Feldsensor für elektrische Felder mit einem Gehäuse einer Meßöffnung im Gehäuse, einer hinter der Meßöffnung angeordneten Festelektrode, die mit einer Gruppe identischer Sektoren versehen ist, die regelmäßig auf den Umfang der Festelektrode verteilt sind, mit einer Drehelektrode, die zwischen der Meßöffnung und der Fest­ elektrode und koaxial zu dieser angeordnet und mit einer Gruppe von Flügeln versehen ist, die regelmäßig auf den Umfang der Drehelektrode verteilt sind, und sich mit Aus­ nehmungen abwechseln, mit einem Antriebsmotor für den Drehantrieb der Drehelektrode, einer Schaltung für die Erfassung und Verstärkung des von der Festelektrode ab­ gegriffenen Signals und mit einer Schaltungsanordnung für die Signalverarbeitung zu einem Ausgangssignal, das dem elektrischen Feld entspricht, in dem sich der Feldsensor befindet.

Die Erfindung betrifft insbesondere einen Feldsensor für die Messung elektrischer Felder in einem gas­ förmigen Medium, in dem sich ein beweglicher Leiter befindet.

Wenn sich ein Fahrzeug, beispielsweise ein Flugzeug, eine Rakete oder Raumfahrzeug in der Atmosphäre be­ wegt, ist die Kenntnis der Änderung äußerer elek­ trischer Felder von Bedeutung, um daraus Veränderungen elektrischer Aufladungen oder Potentiale abzuleiten, denen das Fahrzeug unterworfen ist, und um die Gefahren von Überschlägen oder einer Beschädigung elektrischer und elektronischer Bauteile abschätzen zu können, die sich an Bord des Fahrzeuges befinden. Diese Bauteile könnten durch Überlastungen oder Überspannungen auf­ grund elektrischer Aufladungen des Fahrzeuges be­ schädigt werden.

Zum Stande der Technik gehören bereits Feldsensoren in einer mühlenförmigen Ausführung, die eine aus Flügeln bestehende Festelektrode besitzen, vor der sich eine andere Drehelektrode mit Flügeln dreht, die sich in dem zu messenden Feld befindet und ge­ gebenenfalls hinter einem Abschirmgitter angeordnet ist, wobei die Flügel der Festelektrode und der Dreh­ elektrode einander koaxial überlagert sind und die gleiche Form und die gleiche Oberfläche aufweisen. Die Wirkung eines solchen Feldsensors beruht auf dem Gesetz der Elektrostatik, gemäß welchem eine leitende Elektrode, die einem elektrischen Feld ausgesetzt ist, Gegenstand einer Verteilung der elektrischen Ober­ flächenladung ist, die von der Oberfläche der Elek­ trode und der Feldintensität abhängig ist. Sobald eine Veränderung der Oberfläche der Elektrode auf­ tritt, wird ein Leiter, der die Elektrode mit Masse verbindet, von einem Strom durchflossen. Dabei spielt die Drehelektrode die Rolle einer beweglichen Maske für die Festelektrode und ruft alternierende Ver­ änderungen in der Oberfläche der Festelektrode hervor. Diese alternierenden Änderungen rufen Änderungen des induzierten Stromes hervor, der es ermöglicht, ein pulsierendes Signal zu gewinnen, dessen Amplitude vom elektrischen Feld der Umgebung abhängig ist.

Für den Fall, daß der Feldsensor sich an Bord eines Fahrzeuges befindet, das sich mit großer Geschwindig­ keit in einer gasförmigen Umgebung bewegt, treten unter­ schiedliche Effekte, wie beispielsweise Reibungs­ elektrizität, auf, die die Außenladung des Fahrzeuges ebenso verändern, wie das äußere elektrische Feld. Folglich ist die Meßelektrode in der Zeit, in der sie dem äußeren elektrischen Feld ausgesetzt ist, gleich­ falls einem Bombardement von Ionen oder Elektronen ausge­ setzt, und die aufgenommene Oberflächenladung ist das Ergebnis der beiden Phänomene. Der am Ausgang des Feldsensors gemessene Strom ist infolgedessen die Summe aus dem induzierten Strom (entsprechend dem elektrischen Feld) und dem zugeführten Strom (entsprechend der Reibungsaufladung).

Die beiden Ströme erscheinen in der Form alternierender Signale gleicher Frequenz, jedoch mit einer Phasenver­ schiebung. Es erschien daher möglich, die beiden Ströme durch eine entsprechende Signalverarbeitung vonein­ ander zu trennen. Es wurde auch bereits vorge­ schlagen, eine solche Unterscheidung der Signale bei Feldsensoren mit sich drehenden Flügeln dadurch herbei­ zuführen, daß man das Prinzip der synchronen Demodulation anwandte. Die Wirksamkeit dieser Methode, d.h. die Aus­ schaltung eines beträchtlichen Anteils des durch Reibungselektrizität bedingten Stroms, ist jedoch in der Praxis begrenzt, weil sie von der mechanischen Präzision des Feldsensors und von der Schnelligkeit der Veränderung der Phänomene abhängig ist. Infolgedessen bedingt die Wirksamkeit eines solchen Feldsensors die Erzeugung eines synchronen Referenzsignals mit einer Modulationsfrequenz des Rotors, die eine große Genauig­ keit aufweisen muß und mechanische Regeleinrichtungen erforderlich macht, die unter allen Umständen die Ein­ haltung der Phasenbeziehung gewährleistet, weil der Grad der Unterdrückung des parasitären Einflusses hiervon abhängig ist. In der Praxis können daher solche Bedingungen nicht immer eingehalten werden, insbesondere dann nicht, wenn der Feldsensor in ein ballistisches Fahrzeug eingebaut ist.

Zur Beseitigung dieser Nachteile hat man bereits einen Feldsensor für elektrische Felder in Erwägung gezogen, bei denen eine Elektrode ständig einem Fenster gegenüberliegt und alternierenden Längsbe­ wegungen ausgesetzt ist, die senkrecht zur Fenster­ ebene verlaufen. Diese Verschiebungen der Elektrode ermöglichen die Änderung ihrer Lage innerhalb des elektrischen Feldes und damit die Erzeugung eines modulierten Signals.

Ein solcher Feldsensor besitzt die Vorteile, daß die wirksame Oberfläche der Elektrode von kon­ stanter Größe ist. Bei Messungen, bei denen die Intensität des durch Reibungselektrizität er­ zeugten Stroms proportional der wirksamen Ober­ fläche der Elektrode ist, d.h. für den Fall, daß die Empfängerelektrode sich alternierend mit konstanter wirksamer Oberfläche in Längsrichtung verschiebt, erscheint der durch Reibungselektrizität erzeugte Strom in Form eines kontinuierlichen Stroms, während das elektrische Feld, das durch Lageänderungen der Elektrode erzeugt wird, als Wechselstrom in Er­ scheinung tritt. Die Trennung dieser beiden Ströme verursacht keine Schwierigkeiten, und der Grad der Unterdrückung ist vollkommen.

Andererseits besitzt die zuletzt beschriebene Art des Feldsensors Nachteile bei der Messung, wenn es sich beispielsweise um ein breiteres Frequenzband, beispiels­ weise von mehreren 100 Hertz handelt. In diesem Fall muß man in an sich bekannter Weise eine Frequenz­ modulation durchführen, die mindestens um den Faktor 2 bis 3 größer ist, was zu mechanischen Problemen beim Antrieb der vibrierenden Elektrode führt und die Amplitude der Elektrodenbewegung wegen der auf­ tretenden Beschleunigungen stark begrenzt. Ein der­ artiger Feldsensor ist infolgedessen auf geringere Empfindlichkeiten und auf schmälere Frequenzbänder begrenzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu vermeiden und einen Feldsensor zur Messung elektrischer Felder anzu­ geben, der gleichzeitig in erhöhtem Masse durch Reibungs­ elektrizität bedingte Ströme unterdrückt und eine er­ höhte Empfindlichkeit aufweist, dabei leicht herstellbar und geeignet ist, schwierigen Umweltbedingungen zu widerstehen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Feldsensor erfindungsgemäß dadurch, daß die Festelektrode eine erste Gruppe von Sektoren aufweist, die nach Form und Abmessungen unter­ einander identisch sind und eine erste Oberfläche bilden, die gegenüber der Drehelektrode einen ersten Abstand aufweist, ferner eine zweite Gruppe von Sektoren, die nach Form und Abmessungen untereinander identisch und zwischen den Sektoren der ersten Gruppe angeordnet sind und eine zweite Oberfläche bilden, die einen vom ersten Abstand verschiedenen Abstand von der Dreh­ elektrode aufweist, und daß die Anzahl der Sektoren der ersten Gruppe, die mit der Anzahl der Sektoren der zweiten Gruppe übereinstimmt, gleich ist der Anzahl der Flügel der Drehelektrode oder ein Vielfaches oder einen Bruchteil davon beträgt.

In besonders vorteilhafter Weise wird dabei die Fest­ elektrode durch eine einzige homogene Scheibe ge­ bildet, die in einer ihrer Stirnseiten Ausnehmungen gemäß den regelmäßigen Winkel-Sektoren aufweist, die in der Weise auf den Umfang der Scheibe verteilt sind, daß sie eine fortgesetzte, zinnenförmige Ober­ fläche bilden, die in Umfangsrichtung alternierend hohe und niedrige Höhenlagen aufweist.

Die Form der Sektoren, die die erste Oberfläche der Festelektrode bilden, kann von der Form der Sektoren verschieden sein, die die zweite Oberfläche bilden, sowie verschieden von der Form der Flügel der Drehelektrode.

Es ist aber besonders vorteilhaft, wenn die Form der Flügel der Drehelektrode die gleiche ist wie die Form der Sektoren, die die ersten und die zweiten Oberflächen der Festelektrode bilden, und wenn die Drehelektrode in der Nähe der Festelektrode ange­ ordnet ist. Wenn weiterhin die Anzahl der Flügel der Drehelektrode ein Vielfaches oder einen Bruchteil der Anzahl der Sektoren der ersten und der zweiten Sektoren­ gruppe bildet, dann ist es besonders vorteilhaft, wenn diese Anzahl genau derjenigen der Sektoren einer jeden Gruppe von Sektoren der Festelektrode entspricht.

Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel haben die Flügel der Drehelektrode und die Sektoren der Festelektrode im wesentlichen die Form von Trapezen.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt die Drehelektrode sechs Flügel, und jede Gruppe von Sektoren der Festelektrode besteht aus sechs Sektoren.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungs­ gegenstandes ergeben sich aus der nachstehenden Be­ schreibung eines besonders vorteilhaften Ausführungs­ beispiels der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 9.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch einen vollständigen Feldsensor,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Fest­ elektrode,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Festelektrode nach Fig. 2,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Drehelektrode des Gegenstandes nach Fig. 1,

Fig. 5 eine Draufsicht auf das Abschirmgitter des Gegenstandes nach Fig. 1,

Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Er­ läuterung des Zusammenwirkens zwischen einer Festelektrode und einer Dreh­ elektrode nach der Erfindung,

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Code-Scheibe des Gegenstandes nach Fig. 1,

Fig. 8 ein Blockschaltbild mit den Schaltkreisen zur Signalverarbeitung der von dem Feld­ sensor nach Fig. 1 gelieferten Signale und

Fig. 9 ein Schaltbild für die Schaltungen nach Fig. 8 mit einer größeren Anzahl von Details.

In Fig. 1 ist ein Feldsensor für elektrische Felder dar­ gestellt, der ein rohrförmiges Gehäuse 5 besitzt, auf dem ein Tragteil 4 in Form eines Drehteils angeordnet ist, das das Grundelement des Feldsensors bildet und in seinem oberen Teil einen Hohlraum 40 mit einer Öffnung aufweist, die eine Meßöffnung 30 bildet.

Eine scheibenförmige Festelektrode 2, die beispielsweise aus vergoldetem Metall besteht, ist im Innern eines Isolierstoffrings 7 angeordnet, der seinerseits im Hohl­ raum 40 des Tragteils 4 untergebracht ist. Die Fest­ elektrode 2 besitzt eine Mittenöffnung 20, in der ein weiterer Isolierstoffring 17 angeordnet ist, relativ zu dem die Abtriebswelle eines Elektromotors 15 drehbar ist. Die Abtriebswelle des Motors 15 ist ihrerseits mittels eines Wälzlagers 10 in dem Trag­ teil 4 gelagert. Ein Tragelement 6 ermöglicht die Festlegung des Stators des Motors 15 im Innern des Gehäuses 5 am Tragteil 4.

Eine Drehelektrode 1 besitzt eine Nabe 110, die sich am Ende der Welle des Motors 15 befindet und durch diesen in Drehung versetzbar ist. Auf das Tragteil 4 ist weiterhin ein Abschirmgitter 3 aufgesetzt. Ein solches Abschirmgitter besteht aus einem Außen­ zylinder 32, der mit dem Tragteil 4 verbunden ist, und aus einer zentralen Platte 33, die berührungsfrei gegen­ über der Nabe 110 der Drehelektrode 1 angeordnet ist. Die Platte 33 ist mit dem Außenzylinder 32 über Streben 31 verbunden, die einen kleinen Querschnitt aufweisen (siehe Fig. 5).

Im unteren Teil des Gehäuses 5 befindet sich ein opto­ elektronischer Sensor 11, der mit einer Code-Scheibe 8 zusammenwirkt, die fest auf der Achse des Motors 15 angeordnet ist.

Die Festelektrode 2 und der opto-elektronische Sensor 11 sind über Ausgangsklemmen 13 bzw. 14 mit einer Anordnung zur Signalverarbeitung verbunden, die außerhalb des Gehäuses 5 angeordnet ist. Das Gehäuse 5 wird nach unten hin dicht durch einen Deckel 9 verschlossen.

Die Form der Drehelektrode 1 und der Festelektrode 2 wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher er­ läutert:

Die Festelektrode 2 besteht aus einer einstückigen und homogenen Scheibe, die in ihrer oberen Stirnfläche abgesenkte Sektoren 22 aufweist, die gleich groß und gleichmäßig auf den Umfang der Festelektrode 2 ver­ teilt sind. Dazwischen liegen unter Bildung sogenannter "Zinnen" sechs erhabene Sektoren 21, die gleichfalls gleiche Größe besitzen und gleichmäßig und abwechselnd mit den abgesenkten Sektoren 22 auf den Umfang ver­ teilt sind. Die Festelektrode 2 besitzt infolgedessen einen Randteil mit einer durchgehenden Oberfläche ohne jede Öffnung oder Unterbrechung von einer Seite zur anderen Seite des Randteils. Jedoch sind im Bereich dieses Umfangs auf der Oberseite der Festelektrode alternierend Oberflächen in einer höheren Lage (er­ habene Sektoren 21) und in einer tieferen Lage (abge­ senkte Sektoren 22) angeordnet.

Es versteht sich, daß die erhabenen Sektoren 21 unter­ schiedliche Formen aufweisen können, wie beispielsweise die Form von Blütenblättern mit gekrümmten Kanten. In einem solchen Fall besitzen die vertieft angeordneten Sektoren 22 Formen, die von denjenigen der erhabenen Sektoren 21 abweichen. Die Oberfläche eines jeden abge­ senkten Sektors 22 kann gleichfalls verschieden sein von derjenigen eines jeden erhabenen Sektors 21. Es ist jedoch notwendig, daß alle erhabenen Sektoren 21 untereinander identisch sind, und daß alle, dazwischen­ liegende abgesenkte Sektoren 22 gleichfalls unterein­ ander identisch sind.

Die Drehelektrode 1, die mittels der Welle des Motors 15 und ihre Nabe 110 angetrieben wird, besitzt sechs Flügel 111, die sich mit Ausnehmungen 112 abwechseln. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzen die Flügel 111 die gleiche geometrische Form (im wesentlichen die Form von Trapezen), wie die in unter­ schiedlichen Höhen angeordneten Sektoren 21 und 22 der Festelektrode 2. Sobald die Drehelektrode durch den Motor 15 in Drehung versetzt wird, maskiert und de­ maskiert sie mittels ihrer Flügel 11 alternierend die erhabenen Sektoren 21 und die abgesenkten Sektoren 22 der Festelektrode 2, die bei dem be­ trachteten Ausführungsbeispiel die gleiche geometrische Konfiguration und die gleichen Abmessungen aufweist, wie die Flügel 111 der Drehelektrode 1.

Dabei kann die Drehelektrode 1 Flügel 111 mit einer Form aufweisen, die von derjenigen der erhabenen Sektoren 21 und der abgesenkten Sektoren 22 verschieden ist. Außerdem kann die Anzahl dieser Flügel ein Viel­ faches oder einen Bruchteil der Anzahl der beiden Gruppen von Sektoren der Festelektrode betragen.

In jedem Fall wird die Festelektrode 2 alternierend dem äußeren elektrischen Feld im Bereich der Meß­ öffnung 30 ausgesetzt, und zwar vollständig oder gar nicht in Abhängigkeit von der Form und der An­ zahl der Flügel der Drehelektrode 1 und der erhabenen Sektoren 21 und der abgesenkten Sektoren 22, die von der Drehebene der Drehelektrode zwei unter­ schiedliche Abstände aufweisen, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Die alternierende Freilegung der erhabenen Sektoren 21 und der abgesenkten Sektoren 22 erzeugt eine alternierende Modifikation des Potentials des örtlichen Feldes, die derjenigen äquivalent ist, die durch die physische Verlagerung einer ebenen Elektrode erzeugt würde, die sich in dem Feld über eine Distanz verschiebt, die gleich derjenigen ist, die die beiden Höhen der Zinnen der Fest­ elektrode 2 voneinander trennt.

Die Festelektrode 2 mit ihren beiden unterschiedlichen Höhenlagen bildet infolgedessen eine Elektrode mit einer fiktiven Verschiebung, wobei jedoch die Aus­ führung einer fiktiven Verschiebung von mehreren Millimetern keinerlei technische Probleme verursacht, weil diese Verschiebung, vereinfacht ausgedrückt, der Tiefenausdehnung der Zinnen entspricht, die ein statisches Element bilden. Weiterhin verursacht der elektrische Anschluß der Festelektrode 2 an den Spannungspunkt der Schaltung zur Auswertung und Ver­ stärkung 16 über die Ausgangsklemme 13 keinerlei Schwierigkeiten, da die Drehelektrode 1 in einfachster Weise über einen Gleitkontakt 12 mit Masse verbunden ist.

Die Unterdrückung des auf Reibungselektrizität zurückzu­ führenden Stromes wird dadurch in einfachster Weise und automatisch durchgeführt, wie dies auch bei einem Feldsensor mit einem Kolben der Fall ist, wobei die dem Feld ausgesetzte Oberfläche der Elektrode in jedem Augenblick konstant ist. In einfachster Weise bestimmt die Drehzahl der Drehelektrode die Modulationsfrequenz, und diese kann ohne Schwierig­ keiten sehr hochgewählt werden.

Es ergibt sich daraus, daß bei einem Feldsensor mit beweglichem Kolben die Empfindlichkeit eine Funktion des Hubes ist, der nur schwer zu vergrößern ist, und daß die Genauigkeit und die Empfindlichkeit von der Präzision der Hubbewegung abhängig ist. Im Gegensatz dazu ist der Hub bei dem erfindungsgemäßen Feldsensor mit einer fiktiven Verschiebung in Wirk­ lichkeit gleichfalls nur fiktiv und äußerst genau, weil er durch die Bauweise erzielt wird und nur von dem geometrischen Aufbau der Festelektrode ab­ hängig ist.

Wie aus Fig. 7 zu entnehmen ist, besitzt die Code- Scheibe 8 eine Anzahl von Flügeln 81, die mit der Anzahl der erhabenen Sektoren 21 der Festelektrode übereinstimmt und die am unteren Ende der Welle des Motors 15 angeordnet sind. Die Flügel 81 der Code- Scheibe 8 sind gleichmäßig auf deren Umfang verteilt, können jedoch eine Form aufweisen, die von derjenigen der Sektoren 21 oder 22 der Festelektrode 2 sowie von derjenigen der Flügel 111 der Drehelektrode 1 verschieden ist. Die Code-Scheibe 8 ist im Innern eines opto-elektronischen Sensors 11 angeordnet, der für sich genommen bekannt ist und dazu dient, ein Referenzsignal zu erzeugen, das zur Drehung der Drehelektrode 1 synchron ist.

Beispielhaft erhält man bei einer Drehzahl des Rotors von 92 Hz und einer Drehelektrode 1 mit sechs Flügeln ein Nutzsignal mit einer Modulationsfrequenz von 552 Hz. Diese Modulationsfrequenz kann, falls notwendig, noch erheblich gesteigert werden.

Im allgemeinen besitzt die Code-Scheibe 8 eine Anzahl von Flügeln 81, die gleich oder größer ist als der zweifache Wert, der durch die Anzahl der Flügel 111 der Drehelektrode 1 und die Anzahl der Sektoren 21 der ersten Gruppe von Sektoren gebildet wird.

Es ist gleichfalls zu erkennen, daß das Abschirmgitter 3, das im Bereich der Meßöffnung 30 angeordnet ist, eine Platte 33 besitzt, deren Abmessungen nicht größer sind als diejenigen der Nabe 110 der Drehelektrode 1. Die Streben 31 besitzen einen nur kleinen Durchmesser (Fig. 5). Falls man für das Abschirmgitter 3 eine Anzahl von Streben 31 wählt, die ein Vielfaches der Gesamtzahl der erhabenen und abgesenkten Sektoren 21 bzw. 22 der Festelektrode 2 beträgt, kann jegliche Störung der Messungen durch das Abschirmgitter 3 vermieden werden. Falls das Abschirmgitter 3 nur eine Anzahl von Streben 31 besitzt, die gleich der Anzahl der erhabenen Sektoren 21 ist, genügt es, das Abschirm­ gitter 3 gegenüber der Festelektrode 2 in der Weise zu positionieren, daß jede Strebe 31 oberhalb eines erhabenen Sektors 21 und eines abgesenkten Sektors 22 verläuft und den gleichen Abstand von dem zugehörigen Sektor aufweist. Die Herstellung eines solchen Abschirmgitters 3 bedingt natürlich, daß Identität bezüglich der Anzahl, der Form und der Abmessungen der Flügel 111 der Drehelektrode und der Sektoren 21 bzw. 22 der Festelektrode 2 besteht.

In den Fig. 8 und 9 sind Schaltschemata dargestellt, die die elektronische Signalverarbeitung für einen solchen Feldsensor ermöglichen. Eine derartige Signal­ verarbeitung beinhaltet einen Signalverlauf von der Ausgangsklemme der Festelektrode 2 und enthält eine Eingangsstufe 16 mit einem Leistungsverstärker. Die Eingangsstufe 16 besitzt zwei Verstärkerstufen und liefert die Signale an einen der Eingänge eines Multiplikators 18, der durch einen synchronen Demodulator gebildet wird und Signale über eine zweite Leitung der Auswerteschaltung erhält. Diese zweite Leitung empfängt das Signal von derjenigen Einrichtung, die durch den opto-elektronischen Sensor 11 und die Code­ Scheibe 8 gebildet wird, derart, daß ein geformtes Signal, das als Referenzsignal mit konstantem Pegel und mit einer Frequenz, die mit derjenigen der Dreh­ zahl des Rotors synchron ist, dem zweiten Eingang des Multiplikators 18 zugeführt wird. Das Ausgangs­ signal des Multiplikators 18 wird einer Verstärker­ schaltung 19 zugeführt, die eine Spannungsver­ stärkung und eine Filterung durchführt, und an ihrem Ausgang ein kontinuierliches Spannungssignal erzeugt, das dem von dem Feldsensor gemessenen Feld proportional ist.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 9 ist zu er­ kennen, daß der Verstärker 16 für die Meßsignale zwei Operationsverstärker 161 und 162 in Kaskadenanordnung aufweist, von denen der eine ein Band-Pass-Verstärker ist, während der andere ein Leistungsverstärker ist.

Der Verstärker 19, der gleichfalls die Funktion eines Filters übernimmt, besteht aus drei Stufen, die ihrer­ seits durch Operationsverstärker 191, 192 und 193 ge­ bildet werden. Ein Potentiometer 194 ermöglicht eine Feineinstellung des Verstärkungsgrades des Operations­ verstärkers 191.

Die Schaltkreise des opto-elektronischen Sensors 11 enthalten beispielsweise einen Opto-Koppler 101, be­ stehend aus einer Leuchtdiode und einem Fototransistor, zwischen denen die Code-Scheibe 8 gelagert ist, die bei jedem Durchgang eines ihrer Flügel 81 die Leitung des Foto-Transistors unterbricht. Die von dem Opto- Koppler 101 ausgehenden Signale werden zwei Operations­ verstärkern 102 und 103 zugeführt, zwischen denen ein Bezugsspannungspunkt durch zwei Zener-Dioden 104 und 105 gebildet wird, die gegeneinander geschaltet sind.

Es versteht sich, daß verschiedene Abwandlungen in den vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnungen vorgenommen werden können, ebenso wie in dem Feld­ sensor, der durch die Elektroden 1 und 2 gebildet wird. Insbesondere ist es möglich, einen Band-Pass­ verstärker mit Filtereigenschaften zu verwenden, der in Bezug auf die Modulationsfrequenz zentriert ist und anstelle der Erfassung der Synchronisation eine Gleichrichterschaltung aufweist, wodurch die Vor­ richtung vereinfacht und ihre Kosten verringert werden, ohne daß auf die wesentlichen Vorteile ver­ zichtet werden muß.

Wie sich weiterhin aus der schematischen Reihenan­ ordnung gemäß Fig. 6 ergibt, besitzt die Festelektrode 2 eine erste Gruppe von erhabenen Stufen 21, die sich in dem dargestellten Augenblick gegenüber den Flügeln 111 der Drehelektrode 1 befinden, während die zweite Gruppe von abgesenkten Sektoren 22 sich unter­ halb der Ausnehmungen der Drehelektrode 1 befindet. Es ist dabei von Vorteil, daß die aufeinanderfolgenden Stufen 21 freie Kanten aufweisen. Dies ist jedoch nicht absolut notwendig, und die Flanken der Stufen können leicht geneigt sein oder ein anderes Profil auf­ weisen. In der Tat stellen die Formen der Flügel und der Sektoren eine Auswahl im Hinblick auf eine leichte Herstellung dar, jedoch können sehr wohl verschiedene Formen angewandt werden. Insbesondere ist es möglich, Formen von Sektoren der Fest­ elektrode zu verwenden, die sich von denjenigen der Drehelektrode unterscheiden.

Es ist außerdem besonders leicht, die Obergrenze der Bandfrequenz anzuheben, in dem man die Anzahl der Flügel und die Drehzahl verändert, wobei diese Maß­ nahmen ohne Einfluß auf die Empfindlichkeit bleiben.

Die Empfindlichkeit der Vorrichtung kann dabei durch eine besondere Wahl der Abmessungen und der geo­ metrischen Form der oberen und der unteren Höhen­ lage innerhalb der Festelektrode 2 angepaßt werden. Darüberhinaus kann die Gestaltung des Feldsensors unter der Voraussetzung verändert werden, daß man eine Anzahl von Flügeln 11 anwendet, die ein Viel­ faches oder einen Bruchteil der Anzahl der erhabenen Sektoren 21 beträgt.

Claims (12)

1. Feldsensor für elektrische Felder mit einem Gehäuse (5), einer Meßöffnung (30) im Gehäuse, einer hinter der Meßöffnung angeordneten Fest­ elektrode (2), die mit einer Gruppe identischer Sektoren (21) versehen ist, die regelmäßig auf den Umfang der Festelektrode (2) verteilt sind, mit einer Drehelektrode (1), die zwischen der Meßöffnung (30) und der Festelektrode (2) und koaxial zu dieser angeordnet und mit einer Gruppe von Flügeln (111) versehen ist, die regel­ mäßig auf den Umfang der Drehelektrode (1) ver­ teilt sind und sich mit Ausnehmungen (112) ab­ wechseln, mit einem Antriebsmotor (15) für den Drehantrieb der Drehelektrode, einer Schaltung (16) für die Erfassung und Verstärkung des von der Festelektrode (2) abgegriffenen Signals und mit einer Schaltungsanordnung (18, 19) für die Signalverarbeitung zu einem Ausgangssignal, das dem elektrischen Feld entspricht, in dem sich der Feldsensor befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Festelektrode (2) eine erste Gruppe von Sek­ toren (21) aufweist, die nach Form und Abmessungen untereinander identisch sind und eine erste Ober­ fläche bilden, die gegenüber der Drehelektrode (1) einen ersten Abstand aufweist, ferner einer zweite Gruppe von Sektoren (22), die nach Form und Ab­ messungen untereinander identisch und zwischen den Sektoren (21) der ersten Gruppe angeordnet sind und eine zweite Oberfläche bilden, die einen vom ersten Abstand verschiedenen Abstand von der Dreh­ elektrode (1) aufweist, und daß die Anzahl der Sektoren (21) der ersten Gruppe, die mit der An­ zahl der Sektoren (22) der zweiten Gruppe überein­ stimmt, gleich ist der Anzahl der Flügel (111) der Drehelektrode (1) oder ein Vielfaches oder einen Bruchteil davon beträgt.

2. Feldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektoren (21) der ersten Gruppe in Form und Abmessungen mit den Sektoren (22) der zweiten Gruppe übereinstimmen.

3. Feldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flügel (111) der Drehelektrode (1) in Form, Anzahl und Abmessungen mit den Sektoren (21) der ersten und/oder den Sektoren (22) der zweiten Gruppe übereinstimmen.

4. Feldsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fest­ elektrode (2) durch eine einzige homogene Scheibe gebildet ist, die in einer ihrer Stirnseiten Ausnehmungen gemäß den regelmäßigen Winkel- Sektoren aufweist, die in der Weise auf den Umfang der Scheibe verteilt sind, daß sie eine fortge­ setzte zinnenförmige Oberfläche bilden, die in Umfangsrichtung alternierend hohe und niedrige Höhenlagen aufweist.

5. Feldsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sek­ toren (21, 22) der Festelektrode (2) eine Trapez­ form aufweisen.

6. Feldsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreh­ elektrode (1) sechs Flügel (111) besitzt, und daß jede Gruppe von Sektoren (21, 22) der Fest­ elektrode (2) gleichfalls aus sechs Sektoren be­ steht.

7. Feldsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Meß­ einrichtung für die Stellung der Flügel (111) der Drehelektrode (1) aufweist.

8. Feldsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine Code-Scheibe (8) aufweist, die mit einer Antriebswelle der Dreh­ elektrode (1) verbunden ist und die weitere Flügel (81) in einer Anzahl aufweist, die gleich oder größer ist als die zweifache Anzahl, gebildet durch die Anzahl der Flügel (111) der Dreh­ elektrode und die Anzahl der Sektoren (21) der ersten Gruppe von Sektoren, sowie einen optisch­ elektronischen Sensor (11), der mit der Code- Scheibe (8) zusammenwirkt.

9. Feldsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Signalverarbeitung einen Demodulator (18) und einen Verstärker (19) besitzt.

10. Feldsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreh­ elektrode (1) mit Masse verbunden ist, während die Festelektrode (2) mit dem Spannungspunkt der Schaltung (16) verbunden ist.

11. Feldsensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Zinnen der Festelektrode (2) freie Kanten aufweisen.

12. Feldsensor nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein festes Abschirmgitter (3) vorhanden ist, das vor der Meßöffnung (30) ange­ ordnet ist und radiale Streben (31) in gleich­ mäßiger Verteilung aufweist, deren Anzahl der Gesamtzahl der Sektoren (21, 22) der ersten und der zweiten Gruppe oder einem Vielfachen davon ent­ spricht.