Gesamtkonzept meiner Feldmühlenkonstruktion

1. Aufteilung und Anordnung der Messplatte sowie des Flügelrades

Bei meiner Konstruktion habe ich eine kupferkaschierte Epoxidplatte in 4 Kreissektoren eingeteilt. Je zwei gegenüberliegende Segmente bilden ein Messplattenpaar, sind also leitend miteinander verbunden. Man hat also 2 Messplattenpaare (A+B), wodurch man auch zwei Signale bekommt. Dieses zweite Signal scheint auf dem ersten Blick für die Messung überflüssig zu sein, jedoch wird es bei der späteren elektronischen Auswertung von großer Bedeutung sein. Über der Messplattenanordnung kreist das geerdete Flügelrad, welches jeweils ein Messplattenpaar abdeckt, während das andere aufgedeckt wird. Aufgrund der theoretischen Herleitung müssten sich Ladungs- und Stromkurven ergeben, wie sie in den unteren Zeichnungen dargestellt sind.
Das tatsächlich gemessene Messsignal ähnelt aber eher einer Sinusspannung als einem Rechtecksignal. Dies ist hauptsächlich auf "Schmutzeffekte" zurückzuführen, wie sie auch bei MacGorman aufgeführt werden: "(...), but electric field fringing effects at the rotor edge as it crosses a stator cause the actual wave shape to be more like a sinusoid (...)" (MacGorman, 1998, S.119).

Zusammenfassend hat man also nun zwei sinusähnliche Messspannungen, welche in ihrer Amplitude dem elektrischen Feld proportional sind und sich in der Frequenz gleichen. Ihre Phase ist jedoch 180° gegen-einander verschoben.

2. Weiterverarbeitung der Messsignale durch eine Differenzverstärkerschaltung

Das Problem bei der Weiterverarbeitung der Mess-spannung war nun Langezeit die starken Störein-strahlung durch die 50Hz-Wechselspannung sowie Störungen durch den Feldmühlenmotor und einer Vielzahl anderer Störeinflüsse, welche durch Filter wie Band- bzw. Tiefpässe kaum in der Griff zu bekommen waren.
Eine rafinierte Lösung des Problems bietet die Verarbeitung des Messsignals mit Hilfe einer Differenzverstärkerschaltung (MacGorman, 1998, S.120).
Ein Differenverstärker besitzt zwei Eingänge (z.B. Eingang A und B). Als Ausgangsspannung liefert er die Differenz der beiden Eingangssignale (z.B. B - A). Wenn am Eingang A und am Eingang B z.B. +3V anliegen, ist am Ausgang die Spannung 0V. Liegt jedoch an Eingang A z.B. +2V und am Eingang B +5V, so liefert der Verstärker (Verstärkungsfaktor sei gleich 1) am Ausgang +5V - 2V = +3V.
Diese interessante Eigenschaft beschränkt sich natürlich nicht nur auf Gleichspannungen, sondern funktioniert auch mit Wechselspannungen.
Legt man nun das Messsignal des Plattenpaares A auf den Eingang A und das Signal vom Plattenpaar B auf den Eingang B, so liegen die Messsignale zwar von der Amplitude her gleich an den Eingängen an, allerdings mit einem Phasenunterschied von 180°. Durch diese Phasendifferenz erzeugt der Differenzverstärker ein Ausgangssignal B - A, welches von der Frequenz her gleich, aber dessen Amplitude doppelt so groß ist, wie die der Eingangsspannungen.
Gleichzeitig liegen auch die beschriebenen Störspannungen an den beiden Eingängen an. Diese haben jedoch die gleiche Phasenlage und gleiche Amplitude, da sie vom Flügelrad nicht beeinflußt werden. Das hat zur Folge, dass diese gleichtaktigen Signale vom Differenzverstärker nicht verstärkt werden und somit keine Störspannungen mehr am Ausgang messbar sind.
3. Bestimmung der Richtung des Feldes

Nun sagt die Amplitude der Wechselspannung zwar etwas über die Feldstärke aus, um jedoch die Richtung des Feldes feststellen zu können, muss man während der Messung die jeweilige Stellung des Flügelrades herausfinden. Denn die Polarität der Messspannung ist einerseits von der Stellung des Flügelrades, also Ab- oder Aufdeckvorgang, und andererseits von der Richtung des influenzierenden Feldes abhängig.

Für die Registrierung der Plattenstellung wird eine Gabellichtschranke eingesetzt. Diese liefert abhängig von der Stellung des Flügelrades eine Rechteckspannung. Denn der Phototransistor der Lichtschranke sperrt, wenn die Schranke unterbrochen wird und wird niederohmig, wenn sie frei ist. Legt man nun eine Spannung an die Emitter-Kollektor-Strecke an, so kann man mit Hilfe der periodischen Unterbrechungen durch das Flügelrad, eine Rechteckspannung abgreifen. Bei richtiger Positionierung der Lichtschranke, sind die Messpannung und das Rechtecksignal gleichphasig. Die Rechteckspannung wird nun dazu benutzt, einen elektronischen Schalter (MOS 4066) anzusteuern, welcher somit nur die positive bzw. negative Halbwellen der Signalspannung "durchlässt".
Um nun zu vermeiden, dass die Gabellichtschranke durch Streulicht oder Schmutz in ihrer Funktion beeinträchtigt wird, sorgt ein zweites, kleineres Flügelrad im Inneren der Mühle für das "Choppern" der Lichtschranke. Dieses kleine Flügelrad sitzt auf der selben Achse, wie das große und wird nach dem eigentlichen Flügelrad ausgerichtet.
Durch einen Tiefpassfilter wird diese pulsierende Gleichspannung noch geglättet und man erhält die angestrebte Gleichspannung.