DE3632756A1

DE3632756A1 - FIELD SENSOR FOR ELECTRICAL FIELDS

Info

Publication number: DE3632756A1
Application number: DE19863632756
Authority: DE
Inventors: Pierre Andre; Claude Castells
Original assignee: Metravib RDS SA
Current assignee: Metravib RDS SA
Priority date: 1985-10-01
Filing date: 1986-09-26
Publication date: 1987-04-09
Also published as: FR2588089B1; FR2588089A1

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. The invention relates to a field sensor for electrical fields with a housing a measuring opening in the housing, one behind the measuring opening arranged fixed electrode, which with a Group of identical sectors is provided regularly are distributed over the circumference of the fixed electrode, with a Rotary electrode between the measuring opening and the fixed electrode and arranged coaxially to this and with a Group of wings is provided regularly on the Circumference of the rotary electrode are distributed, and with off Take turns, with a drive motor for the Rotary drive of the rotary electrode, a circuit for the Detection and amplification of the from the fixed electrode seized signal and with a circuit arrangement for the signal processing to an output signal that the corresponds to the electrical field in which the field sensor located.

Die Erfindung betrifft insbesondere einen Feldsensor für die Messung elektrischer Felder in einem gas förmigen Medium, in dem sich ein beweglicher Leiter befindet.The invention particularly relates to a field sensor for the measurement of electric fields in a gas shaped medium in which there is a movable conductor located.

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.If a vehicle, such as an airplane, a missile or spacecraft in the atmosphere is knowledge of the change in external elek important fields in order to change them deriving electrical charges or potentials, to which the vehicle is subjected and the dangers of flashovers or damage to electrical equipment and to be able to estimate electronic components that are on board the vehicle. These components could be due to overloads or surges due to electrical charges on the vehicle be damaged.

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.Field sensors already belong to the state of the art in a mill-shaped version, the one out Have wings existing fixed electrode in front of another rotating electrode with wings is rotating, which is in the field to be measured and ge possibly arranged behind a shielding grid is, the wings of the fixed electrode and the rotation are coaxially superimposed on each other and the have the same shape and the same surface. The effect of such a field sensor is based on the Law of electrostatics, according to which a conductive Electrode exposed to an electric field Subject of a distribution of electrical upper surface charge is that of the surface of the elec trode and the field intensity is dependent. As soon as a change in the surface of the electrode occurs, a conductor connects the electrode to ground connects, flowed through by a current. It plays the rotating electrode acts as a movable mask for the fixed electrode and calls alternating ver Changes in the surface of the fixed electrode forth. Call these alternating changes Changes in the induced current resulting from it enables a pulsating signal to be obtained its amplitude from the surrounding electric field is dependent.

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).In the event that the field sensor is on board a Vehicle that is moving at high speed moving in a gaseous environment occur different effects, such as friction electricity, on the exterior charge of the vehicle change just like the external electric field. Consequently, the measuring electrode is in the time in which it exposed to the external electric field in the event of bombardment of ions or electrons sets, and the absorbed surface charge is that Result of the two phenomena. The one at the exit of the As a result, the field sensor measured current is the sum from the induced current (corresponding to the electrical Field) and the current supplied (corresponding to the Friction charging).

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. The two streams appear alternating in shape Signals of the same frequency, but with a phase ver shift. It therefore seemed possible the two streams through appropriate signal processing to separate others. It has already been featured suggest such a distinction between the signals Field sensors with rotating blades cause that the principle of synchronous demodulation applied. The effectiveness of this method, i.e. the out switching a significant portion of the Frictional electricity, however, is in the Practice limited because of the mechanical Precision of the field sensor and the speed is dependent on the change in phenomena. Consequently requires the effectiveness of such a field sensor Generation of a synchronous reference signal with a Modulation frequency of the rotor, which is a great accuracy must have speed and mechanical control devices that makes the A necessary under all circumstances the phase relationship is maintained because the degree of suppression of parasitic influence depends on it. In practice, therefore Conditions are not always met, especially then not if the field sensor is in a ballistic Vehicle is installed.

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.One already has to eliminate these disadvantages considering a field sensor for electrical fields pulled, where an electrode is constantly one Window is opposite and alternating longitudinal is exposed to movements that are perpendicular to the window level. These electrode shifts allow you to change their location within the electrical field and thus the generation of a modulated signal.

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.Such a field sensor has the advantages that the effective surface of the electrode from kon constant size. For measurements in which the Intensity of frictional electricity generated current proportional to the effective upper surface of the electrode, i.e. in case that the receiver electrode alternates with constant effective surface lengthways shifts, it appears due to frictional electricity generated electricity in the form of a continuous flow, while the electric field caused by changes in position of the electrode is generated as an alternating current in Er apparition occurs. The separation of these two streams causes no difficulty and the degree of Oppression is complete.

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.On the other hand, the type of Field sensor disadvantages when measuring if there is for example, by a wider frequency band, for example is about several hundred Hertz. In this case one must have a frequency in a manner known per se perform modulation by at least a factor of 2 to 3 is larger, which leads to mechanical problems when Drive of the vibrating electrode leads and the Amplitude of the electrode movement due to the accelerations occurring severely limited. One of the As a result, the field sensor is less Sensitivities and on narrower frequency bands limited.

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.The invention is therefore based on the object to avoid disadvantages described above and a field sensor to measure electrical fields give that at the same time to an increased extent by friction suppresses electricity-related currents and a he has high sensitivity, easy to manufacture and is suited to difficult environmental conditions resist.

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.The task is solved at Field sensor described above according to the invention in that the fixed electrode comprises a first group of Sectors that by shape and dimensions below are identical to each other and a first surface form a first opposite the rotary electrode Spaced apart, further a second group of sectors, which are identical to each other in terms of shape and dimensions and arranged between the sectors of the first group are and form a second surface that one of the first distance different distance from the rotation electrode and that the number of sectors the first group with the number of sectors the second group matches, the number is the same the wing of the rotating electrode or a multiple or a fraction of it.

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.In a particularly advantageous manner, the festival electrode through a single homogeneous disc forms the recesses in one of its end faces according to the regular angle sectors, distributed in the way on the circumference of the disc are that they are a continuous, crenellated upper Form surface that alternates in the circumferential direction has high and low altitudes.

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.The shape of the sectors that the first surface the fixed electrode can form the shape of the Sectors may be different, which is the second surface form, as well as different from the shape of the wings the rotating electrode.

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.However, it is particularly advantageous if the shape the wing of the rotary electrode is the same as that Form of the sectors, the first and the second Form surfaces of the fixed electrode, and if the Rotary electrode in the vicinity of the fixed electrode is arranged. If the number of wings continues Rotary electrode a multiple or a fraction of the Number of sectors of the first and second sectors group forms, it is particularly advantageous if this number of exactly that of each sector Group of sectors of the fixed electrode corresponds.

Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel haben die Flügel der Drehelektrode und die Sektoren der Festelektrode im wesentlichen die Form von Trapezen.In a particularly advantageous embodiment have the wings of the rotating electrode and the sectors of the Fixed electrode essentially in the form of trapezoids.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt die Drehelektrode sechs Flügel, und jede Gruppe von Sektoren der Festelektrode besteht aus sechs Sektoren.In a particularly preferred embodiment the rotary electrode has six wings, and each Group of sectors of the fixed electrode consists of six Sectors.

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.Further details and advantages of the subject matter of the invention will become apparent from the following description of a particularly advantageous embodiment of the invention with reference to FIGS . 1 to 9.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch einen vollständigen Feldsensor, Fig. 1 is a schematic axial section through a full field sensor,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Fest elektrode, Fig. 2 is a perspective view of a solid electrode,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Festelektrode nach Fig. 2, Fig. 3 is a plan view of the fixed electrode according to Fig. 2,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Drehelektrode des Gegenstandes nach Fig. 1, Fig. 4 is a plan view of the rotary electrode of the subject of Fig. 1,

Fig. 5 eine Draufsicht auf das Abschirmgitter des Gegenstandes nach Fig. 1, Fig. 5 is a plan view of the screening mesh of the subject of Fig. 1,

Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Er läuterung des Zusammenwirkens zwischen einer Festelektrode und einer Dreh elektrode nach der Erfindung, Fig. 6 is a schematic diagram for He purification of the interaction between a fixed electrode and a rotary electrode according to the invention,

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Code-Scheibe des Gegenstandes nach Fig. 1, Fig. 7 is a plan view of a code disc of the subject of Fig. 1,

Fig. 8 ein Blockschaltbild mit den Schaltkreisen zur Signalverarbeitung der von dem Feld sensor nach Fig. 1 gelieferten Signale und Fig. 8 is a block diagram with the circuits for signal processing of the signals supplied by the field sensor of FIG. 1 and

Fig. 9 ein Schaltbild für die Schaltungen nach Fig. 8 mit einer größeren Anzahl von Details. Fig. 9 is a circuit diagram for the circuits of Fig. 8 with a larger number of 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.In Fig. 1, a field sensor for electrical fields is provided, which has a tubular housing 5 , on which a support part 4 is arranged in the form of a rotating part, which forms the basic element of the field sensor and has a cavity 40 with an opening in its upper part , which forms a measuring opening 30 .

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.A disk-shaped fixed electrode 2 , which consists for example of gold-plated metal, is arranged inside an insulating ring 7 , which in turn is accommodated in the hollow space 40 of the supporting part 4 . The fixed electrode 2 has a central opening 20 , in which a further insulating ring 17 is arranged, relative to which the output shaft of an electric motor 15 is rotatable. The output shaft of the motor 15 is in turn supported by a roller bearing 10 in the support part 4 . A support element 6 enables the stator of the motor 15 to be fixed inside the housing 5 on the support part 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).A rotary electrode 1 has a hub 110 , which is located at the end of the shaft of the motor 15 and can be rotated by this. On the supporting member 4, a shield grid 3 is further placed. Such a shielding grid consists of an outer cylinder 32 , which is connected to the supporting part 4 , and a central plate 33 , which is arranged in a non-contact manner over the hub 110 of the rotary electrode 1 . The plate 33 is connected to the outer cylinder 32 via struts 31 which have a small cross section (see 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.In the lower part of the housing 5 there is an optoelectronic sensor 11 which interacts with a code disk 8 which is arranged firmly on the axis of the motor 15 .

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.The fixed electrode 2 and the optoelectronic sensor 11 are connected via output terminals 13 and 14 to an arrangement for signal processing which is arranged outside the housing 5 . The housing 5 is sealed at the bottom by a cover 9 .

Die Form der Drehelektrode 1 und der Festelektrode 2 wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher er läutert:The shape of the rotating electrode 1 and the fixed electrode 2 is explained in more detail below with reference to FIGS . 1 to 4:

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.The fixed electrode 2 consists of a one-piece and homogeneous disc, which has lowered sectors 22 in its upper end face, which are of equal size and uniformly divided on the circumference of the fixed electrode 2 . In between are so-called "battlements" six raised sectors 21 , which also have the same size and are evenly and alternately with the lowered sectors 22 are divided ver on the circumference. As a result, the fixed electrode 2 has an edge part with a continuous surface without any opening or interruption from one side to the other side of the edge part. However, in the area of this circumference on the top of the fixed electrode, alternating surfaces are arranged in a higher position (he has sectors 21 ) and in a lower position (lowered sectors 22 ).

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.It is understood that the raised sectors 21 may have different shapes, such as the shape of petals with curved edges. In such a case, the recessed sectors 22 have shapes different from those of the raised sectors 21 . The surface of each lowered sector 22 may also be different from that of each raised sector 21 . However, it is necessary that all raised sectors 21 are identical to each other, and that all intermediate lowered sectors 22 are also identical to each other.

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.The rotary electrode 1 , which is driven by means of the shaft of the motor 15 and its hub 110 , has six vanes 111 which alternate with recesses 112 . In the illustrated embodiment, the blades 111 have (in the form of trapezoids substantially), as arranged in difference heights sectors 21 and 22 of the fixed electrode 2 the same geometric shape. As soon as the rotary electrode is rotated by the motor 15 , it masks and de-masks by means of its wings 11 alternately the raised sectors 21 and the lowered sectors 22 of the fixed electrode 2 , which has the same geometric configuration and the same dimensions in the exemplary embodiment considered , such as the wings 111 of the rotary electrode 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. The rotary electrode 1 can have wings 111 with a shape that is different from that of the raised sectors 21 and the lowered sectors 22 . In addition, the number of these wings can be a multiple or a fraction of the number of the two groups of sectors of the fixed electrode.

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.In any case, the fixed electrode 2 is alternately exposed to the external electric field in the area of the measuring opening 30 , completely or not at all depending on the shape and the number of wings of the rotary electrode 1 and the raised sectors 21 and the lowered sectors 22nd which have two different distances from the plane of rotation of the rotary electrode, as shown in Fig. 6. The alternate exposure of the raised sectors 21 and the lowered sectors 22 creates an alternating modification of the potential of the local field, equivalent to that which would be created by the physical displacement of a planar electrode that moves in the field over a distance that is equal is the one that separates the two heights of the pinnacles of the fixed electrode 2 from each other.

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.The fixed electrode 2 with its two different heights consequently forms an electrode with a fictitious shift, but the execution of a fictitious shift of several millimeters does not cause any technical problems, because, to put it simply, this shift corresponds to the depth of the battlements, which is a static element form. Furthermore, the electrical connection of the fixed electrode 2 to the voltage point of the circuit for evaluation and amplification 16 via the output terminal 13 causes no difficulties, since the rotary electrode 1 is connected in the simplest manner via a sliding contact 12 to ground.

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.The suppression of the back on frictional electricity leading current is thereby in the simplest way and performed automatically, like this at a field sensor with a piston is the case, wherein the surface of the electrode exposed to the field is constant at every moment. In the simplest The speed of the rotary electrode determines the Modulation frequency, and this can be done without difficulty very high.

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.It follows that with a field sensor moving piston the sensitivity a function of the stroke, which is difficult to enlarge, and that accuracy and sensitivity depends on the precision of the lifting movement. in the In contrast, the stroke in the invention Field sensor with a fictitious shift in effect also only fictional and extremely precise, because it is achieved through the construction and only on the geometric structure of the fixed electrode pending.

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.As can be seen from FIG. 7, the code disk 8 has a number of vanes 81 which correspond to the number of raised sectors 21 of the fixed electrode and which are arranged at the lower end of the shaft of the motor 15 . The wings 81 of the code disk 8 are distributed uniformly over their circumference, but may have a shape that is different from that of the sectors 21 or 22 of the fixed electrode 2 and from that of the wings 111 of the rotary electrode 1 . The code disc 8 is arranged in the interior of an optoelectronic sensor 11 , which is known per se and is used to generate a reference signal which is synchronous with the rotation of the rotary electrode 1 .

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.By way of example, a useful signal with a modulation frequency of 552 Hz is obtained at a speed of the rotor of 92 Hz and a rotary electrode 1 with six blades. This modulation frequency can be increased considerably if necessary.

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.In general, the code disk 8 has a number of wings 81 which is equal to or larger than twice the value formed by the number of wings 111 of the rotary electrode 1 and the number of sectors 21 of the first group of sectors.

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.It can also be seen that the shielding grid 3 , which is arranged in the region of the measuring opening 30 , has a plate 33 , the dimensions of which are not larger than those of the hub 110 of the rotary electrode 1 . The struts 31 have only a small diameter ( FIG. 5). If a number of struts 31 is selected for the shielding grid 3 , which is a multiple of the total number of raised and lowered sectors 21 and 22 of the fixed electrode 2 , any interference with the measurements by the shielding grid 3 can be avoided. If the shielding grid 3 has only a number of struts 31 , which is equal to the number of raised sectors 21 , it suffices to position the shielding grid 3 with respect to the fixed electrode 2 in such a way that each strut 31 above a raised sector 21 and one lowered sector 22 and has the same distance from the associated sector. The production of such a shielding grid 3 naturally means that there is identity with regard to the number, shape and dimensions of the wings 111 of the rotary electrode and of the sectors 21 and 22 of the fixed electrode 2 .

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.In FIGS. 8 and 9 are shown schematic diagrams which enable the electronic signal processing for such a field sensor. Such signal processing includes a waveform from the output terminal of the fixed electrode 2 and contains an input stage 16 with a power amplifier. The input stage 16 has two amplifier stages and supplies the signals to one of the inputs of a multiplier 18 , which is formed by a synchronous demodulator and receives signals via a second line of the evaluation circuit. This second line receives the signal from that device which is formed by the opto-electronic sensor 11 and the code disc 8 , such that a shaped signal, which acts as a reference signal with a constant level and at a frequency which is equal to that of the speed of the rotor is synchronous, the second input of the multiplier 18 is supplied. The output signal of the multiplier 18 is fed to an amplifier circuit 19 which carries out a voltage amplification and filtering, and generates a continuous voltage signal at its output which is proportional to the field measured by the field sensor.

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.In the circuit arrangement according to FIG. 9 it can be seen that the amplifier 16 for the measurement signals has two operational amplifiers 161 and 162 in cascade arrangement, one of which is a band-pass amplifier, while the other is a power amplifier.

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.The amplifier 19 , which also takes on the function of a filter, consists of three stages, which in turn are formed by operational amplifiers 191 , 192 and 193 . A potentiometer 194 allows fine adjustment of the gain of the operational amplifier 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.The circuits of the opto-electronic sensor 11 contain, for example, an opto-coupler 101 , consisting of a light emitting diode and a phototransistor, between which the code disc 8 is mounted, which interrupts the line of the photo transistor with each passage of one of its wings 81 . The signals emanating from the optocoupler 101 are fed to two operational amplifiers 102 and 103 , between which a reference voltage point is formed by two Zener diodes 104 and 105 which are connected to one another.

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.It is understood that various modifications can be made in the circuit arrangements described above, as well as in the field sensor, which is formed by the electrodes 1 and 2 . In particular, it is possible to use a band-pass amplifier with filter properties, which is centered with respect to the modulation frequency and has a rectifier circuit instead of the detection of synchronization, thereby simplifying the device and reducing its costs without losing the essential advantages must be waived.

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.As can be seen further from the schematic Reihenan order of FIG. 6, has the fixed electrode 2, a first set of raised steps 21, which are located in the illustrated moment with respect to the wings 111 of the rotary electrode 1, while the second group of depressed sectors 22, is located under half of the recesses of the rotary electrode 1 . It is advantageous that the successive stages 21 have free edges. However, this is not absolutely necessary, and the flanks of the steps can be slightly inclined or have a different profile. Indeed, the shapes of the wings and sectors are a choice for ease of manufacture, but different shapes can be used. In particular, it is possible to use shapes of sectors of the fixed electrode that differ from those of the rotary electrode.

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.It is also particularly light, the upper limit the band frequency by increasing the number of Wing and speed changed, this measure had no influence on the sensitivity.

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.The sensitivity of the device can be adjusted by a special choice of dimensions and the geometric shape of the upper and lower heights within the fixed electrode 2 . In addition, the design of the field sensor can be changed provided that a number of wings 11 is used, which is a multiple or a fraction of the number of raised sectors 21 .

Claims

1. Field sensor for electrical fields with a housing ( 5 ), a measuring opening ( 30 ) in the housing, a fixed electrode arranged behind the measuring opening ( 2 ), which is provided with a group of identical sectors ( 21 ) that regularly on the scope of Fixed electrode ( 2 ) are distributed, with a rotary electrode ( 1 ), which is arranged between the measuring opening ( 30 ) and the fixed electrode ( 2 ) and coaxially therewith and is provided with a group of vanes ( 111 ), which regularly on the circumference the rotary electrode ( 1 ) are divided and alternate with recesses ( 112 ), with a drive motor ( 15 ) for the rotary drive of the rotary electrode, a circuit ( 16 ) for detecting and amplifying the signal from the fixed electrode ( 2 ) and with a circuit arrangement ( 18 , 19 ) for signal processing to an output signal which corresponds to the electric field in which the field sensor is located, characterized in that the fixed electrode ( 2 ) ei ne first group of sectors ( 21 ) which are identical to one another in terms of shape and dimensions and form a first upper surface which is at a first distance from the rotary electrode ( 1 ), further a second group of sectors ( 22 ) which after Shape and dimensions are identical to each other and are arranged between the sectors ( 21 ) of the first group and form a second surface which has a different distance from the first distance from the rotary electrode ( 1 ), and that the number of sectors ( 21 ) first group, which corresponds to the number of sectors ( 22 ) of the second group, is equal to the number of wings ( 111 ) of the rotary electrode ( 1 ) or a multiple or a fraction thereof.

2. Field sensor according to claim 1, characterized in that the sectors ( 21 ) of the first group match in shape and dimensions with the sectors ( 22 ) of the second group.

3. Field sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the wings ( 111 ) of the rotary electrode ( 1 ) match in shape, number and dimensions with the sectors ( 21 ) of the first and / or the sectors ( 22 ) of the second group .

4. Field sensor according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the fixed electrode ( 2 ) is formed by a single homogeneous disc which has recesses in one of its end faces according to the regular angle sectors which in the manner on Circumference of the disc are distributed so that they form a crenellated surface, which has alternating high and low altitudes in the circumferential direction.

5. Field sensor according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the sec gates ( 21 , 22 ) of the fixed electrode ( 2 ) have a trapezoidal shape.

6. Field sensor according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the rotary electrode ( 1 ) has six wings ( 111 ), and that each group of sectors ( 21 , 22 ) of the fixed electrode ( 2 ) also consists of six sectors consists.

7. Field sensor according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that it has a measuring device for the position of the wing ( 111 ) of the rotary electrode ( 1 ).

8. Field sensor according to claim 7, characterized in that the measuring device has a code disc ( 8 ) which is connected to a drive shaft of the rotary electrode ( 1 ) and the further wing ( 81 ) in a number which is equal to or greater is twice the number, formed by the number of wings ( 111 ) of the rotary electrode and the number of sectors ( 21 ) of the first group of sectors, and an optically electronic sensor ( 11 ) which is connected to the code disc ( 8 ) cooperates.

9. Field sensor according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the arrangement for signal processing has a demodulator ( 18 ) and an amplifier ( 19 ).

10. Field sensor according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that the rotary electrode ( 1 ) is connected to ground, while the fixed electrode ( 2 ) is connected to the voltage point of the circuit ( 16 ).

11. Field sensor according to claim 4, characterized in that the successive crenellations of the fixed electrode ( 2 ) have free edges.

12. Field sensor according to claims 2 and 3, characterized in that a fixed shielding grid ( 3 ) is present, which is arranged in front of the measuring opening ( 30 ) and has radial struts ( 31 ) in a uniform distribution, the number of which is the total number Sectors ( 21 , 22 ) of the first and the second group or a multiple thereof speaks.