(Bevor ich hier genauer auf die Einzelheiten meiner Eichmessungen eingehe, möchte ich darauf hinweisen, dass die Kalibrierung z.B. für Gewittermessungen bei weitem nicht so ausführlich und aufwendig gemacht werden müssen. Es genügt für den Einsatz der FM als "Indikator" für starke Feldänderungen völlig, z.B. zwei Pappkartons mit Alufolie zu bekleben, sich daraus einen Kondensator zu basteln und mit einer Gleichspannung (Netzteil o.ä.) ein Feld zu erzeugen und die Ausgangsspannung der FM mit der Feldstärke - berechnet durch E-Feld= Spannung / Plattenabstand - zu vergleichen)
Ziel der Messungen:
Mit den im folgendem beschriebenen Messungen, sollten die messtechnischen Eigenschaften der Feldmühle ermittelt werden:
- Zusammenhang der Feldmühlen-Ausgangsspannung (Ufm) mit dem zu messenden E-Feld (Linearität, Empfindlichkeit);
- Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Flügelrades bzw. Motors (Einfluß von Drehzahl- und Spannungsschwankungen);
- Feststellung von Fehlerquellen und Möglichkeiten zur Optimierung.
Versuchsaufbau:
Mit einem Kondensator und einer Gleichspannung wurde ein künstliches statisches E-Feld erzeugt, in das die Feldmühle eingeführt wurde.
Durch verschiedene Spannungswerte, konnten verschiedene Feldwerte erzeugt werden, wodurch sich eine charakteristische Eichkurve aufnehmen ließ.
Der Versuchsaufbau im Detail:
- Der Eichkondensator:
- Die Spannungsversorgung des Kondensators
- Weitere Messgeräte
Für die Kondensator wurden Holzplatten (Durchmesser: 50cm) mit Aluminiumfolie beklebt und mit elektrischen Anschlüssen versehen.
In eine der Platten (Masse-Platte) wurde in die Mitte eine runde Öffnung geschnitten, um die Feldmühle von unten in den Kondensatorbereich schieben zu können. Damit wurde gewährleistet, dass die Messplatten der Feldmühle und die Kondensatorplatte in einer Ebene liegen und nicht durch den störenden Einfluß des Feldmühlengehäuses das E-Feld verzerrt wird.
Die beiden Kondensatorplatten wurden dann in einer Halterung befestigt, die die Platten in einem Abstand von 14,75 cm (+- 0,1cm) voneinander hielt.
Da für die Messungen rein statische E-Felder benötigt wurden, sollte für die Kondensatorspannung möglichst reine Gleichspannung zum Einsatz kommen. Hierzu wurden jeweils zehn 6V-Batterien (aus Polaroid-Cameras) seriell hintereinander geschaltet, sodass jeweils ca. 60V zur Verfügung standen. Durch 14 dieser Batterieblocks konnte stufenweise eine Spannung von bis zu 680 VDC erzeugt werden. Es sei an dieser Stelle besonders darauf hingewiesen, dass der Umgang mit solch hohen Gleichspannungen in Verbidnung mit den hohen möglichen Kurzschlussströmen lebensgefährlich ist, wenn nicht alle notwendigen Vorsichts- und Sicherheitsmassnahmen für den Umgang mit solch hohen Spannungen beachtet werden!!! Bitte deshalb vorher sich mit den vorgeschriebenen Sicherheitsmassnahmen vertraut machen, bevor man mit der Kalibration beginnt!!!
Zur Messung der Kondensatorspannung (Up), sowie der Ausgangsspannung (Ufm) wurden digitale Voltmeter (Metex M-4640A, Bewa DMM6020) verwendet.
Messung 1: Abhängigkeit der Ausgangsspannung Ufm vom E-Feld E
Aus den gemessenen Werten, Kondensatorspannung und Plattenabstand, konnte die Feldstärke des künstlichen E-Felds (nach E=U/d) berechnet werden. Die Größe des E-Feldes wurde dann gegen die Ausgangsspannung der Feldmühle (Ufm) mit Fehlern aufgetragen. Durch die gemessenen Punkte wurde eine Ausgleichsgerade gelegt, sodass sich folgende Ergebnisse ergaben:
- Die Steigung der Geraden wurde zu 22,5 *(10^3) (m^ -1) bestimmt. Das bedeutet, dass eine Ausgangsspannungsänderung von 1mV einer E-Feldänderung von 22,5 V/m entspricht.
- Idealerweise müsste die Gerade durch den Nullpunkt gehen. Es zeigt sich aber, dass durch den Offset der Elektronik, sich eine Verschiebung von etwa –52 V/m ergibt. Die Elektronik erzeugt also einen Spannungsoffset von 2,2mV.
- Fehler der Messanordnung
Die Hauptfehlerquelle des künstlichen E-Feldes (E) liegt in der Ungenauigkeit der Plattenabstandsmessung, die mit einen rel. Fehler von 0,7% (d=14,75cm +-0,1cm) eingeht.
- Fehler der FM-Ausgangsspannung
Die Polarität der Ausgangsspannung muss nicht mit der Feldpolarität übereinstimmen! Allein durch die Richtungsänderung der Motordrehung, wird die Polarität umgekehrt!! Deshalb am besten, im Eichkondensator überprüfen und das Voltmeter gegebenenfalls am Ausgang der FM verkehrt herum anschließen!
Die Schwankungen der Ausgangsspannung von ca. 0,5mV überwogen i.A. den Gerätefehler des Digitalmultimeters (M-4640A: 0,5%+3dgt)).
- Fehlerdiskussion:
Da der Fehler der FM-Ausgangsspannung (Schwankungen des Offsets) konstant 0,5mV beträgt, fallen diese Schwankungsfehler bei niedrigen E-Feld-Werten stärker ins Gewicht, als bei hohen Feldstärken. Bei 100V/m beispielsweise liegt der relative Fehler bei ca. 7,6%, während er bei 500V/m nur noch 1,5% beträgt.
Bis zu einer Feldstärke von etwa 1,6KV/m überwiegt der durch die Schwankungen hervorgerufene Fehler. Bei höheren E-Feldwerten dominieren die Fehler der Messanordnung (0,7%), d.h. die Genauigkeit der Messfelderzeugung ist ab da an geringer als die Messgenauigkeit der Feldmühle.
Will man also mit der FM niedrige Feldstärken messen (also bis 500V/m) sollte die Verstärkung der Elektronik erhöht werden. Damit erhöht sich die Ausgangsspannung der FM und die Schwankungsfehler verfälschen weniger stark die Messung. Man hat dann jedoch den Nachteil, dass man bei hohen Feldstärken in den Sättigungsbereich der FM-Elektronik kommt, und damit in diesem Messbereich nicht mehr messen kann. Würde man die Verstärkung der FM umschaltbar machen, könnte man dieses Problem umgehen!
Messung 2: Abhängigkeit der Ausgangsspannung Ufm von der Umdrehungs-geschwindigkeit des Flügelrades bzw. des Motors
Nach theoretischen Überlegungen sollte ein linearer Zusammenhang zwischen der FM-Ausgangsspannung (Ufm) und der Umdrehungsgeschwindigkeit (v) des Flügelrades existieren.
Um diesen Zusammenhang zu überprüfen, wurde bei konstantem E-Feld (E = 1316 V/m), die Umdrehungsgeschwindigkeit zwischen 2222 – 6122 U/min variiert und die dazugehörigen FM-Ausgangsspannungen aufgenommen.
Im zweiten Teil wurde die Ergebnisse aus dem ersten Teil in Beziehung mit der Motorspannung gesetzt. Damit erhält man die Beziehung zwischen Motorspannungsänderung und Feldmühlen-Ausgangsspannung.
Ergebnisse aus den Messungen:
- Ausgangsspannung in mV gegen Umdrehungsgeschwindigkeit in 1/sec
- Die Steigung der optimalen Geraden konnte zu 1,18 *10-³ Vs bestimmt werden. Bei einer Änderung der Umdrehungsgeschwindigkeit um 1 Hz (entsprechend 60U/min), ändert sich die Ausgangsspannung Ufm um 1,18 mV.
- Der Spannungsoffset der Elektronik, auch bei nicht drehenden Flügelrad, bewirkt die Achsenverschiebung der Ausgleichsgeraden.
- Bei Umdrehungsgeschwindigkeiten im Bereich von 3000 U/min, zeigte sich eine deutlich Zunahme der Schwankung in der Ausgangsspannung. Obwohl bei den meisten Messungen die Schwankungen kleiner 0,5mV waren, traten bei 3000 U/min (bzw. 50 U/s) Schwankungen von bis zu 4mV auf.
- Dies dürfte daran liegen, dass die Netzfrequenz von 50Hz bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 50 U/s nicht mehr sauber durch den Login-Verstärker ausgefiltert werden kann.
- Ausgangsspannung in mV gegen Motorspannung Umotor in V
Bei dem verwendeten Motor besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Umdrehungsgeschwindigkeit und Motorspannung, was experimentell nachgewiesen werden konnte. Es sollte nun der Zusammenhang zwischen Motorspannung und Ausgangsspannung ermittelt werden, um den Einfluß etwaiger Drehzahlschwankungen auf die Messung beurteilen zu können.
- Die Steigung der optimalen Gerade wurde zu 0,012 bestimmt. Dies sagt aus, dass eine Motorspannungsänderung von 1mV eine Änderung der Ausgangsspannung von 0,012 mV hervorruft.
- Mit den Ergebnissen aus dem ersten Versuch kann man also folgern:
Eine Spannungsschwankung am Motor von 1mV bewirkt einen Fehler der E-Feld-Messung von 0,012 * 22,46 V/m = 0,27 V/m
(Up: Kondensatorplattenspannung; Ufm: Ausgangsspannung der Feldmühle; E: elektrische Feldstärke; dUfm: Schwankung der Ausgangsspannung; dE: abs. Fehler in der Berechnung des E-Feldes durch den Fehler der Plattenabstandsmessung; dUfm/Ufm: relat. Fehler der E-Feldmessung durch die Spannungsschwankungen Ufm)
Zusammenfassung der Messergebnisse:
- Empfindlichkeit, Linearität
Bei der derzeitigen Beschaltung ergab sich, dass eine Spannungsänderung der FM-Ausgangsspannung von 1mV eine E-Feld-Änderung von 22,5 V/m entspricht.
Durch die Offsetschwankung der Elektronik von 0,5-1mV ergibt sich damit ein absoluter Fehler von +- 22 V/m.
Die Linearität der Messung ist auch bei höheren Feldstärken sehr konstant.
- Einfluß von Drehzahl- und Spannungsschwankungen
Eine Spannungsschwankung von 1mV bewirkt durch die dadurch hervorgerufene Drehzahlschwankung eine Feldänderung von 0,27 V/m
Es sollte darauf geachtet werden den Motor nicht im Bereich von 3000 U/min zu betreiben, da hier die 50Hz-Einstrahlungen durch den Login-Verstärker nicht mehr optimal ausgesiebt werden können und es zu Offset-Schwankungen von bis zu +-4 mV kommen kann!
Möglichkeiten zur Reduzierung von Fehlerquellen:
- Stromversorgung des Motors
Für die momentane Stromversorgung des Motors sorgt ein Spannungsregler LM7805. Dieser Regler besitzt (laut Herstellerangaben) nur eine geringe Spannungsgenauigkeit von 0,2V, was durch die Änderung der Umdrehungs-geschwindigkeit eine Messwertverschiebung von 54 V/m bewirken könnte.
Die Temperaturdrift des Spannungsreglers beträgt 0,6 mV/°C. Dies bedeutet mit den Ergebnissen der vorigen Messreihen, dass bei einer plötzlichen Temperaturschwankung von beispielsweise 15°C (bei Gewittern durchaus möglich) eine Spannungsschwankung von 9mV am Motor hervorgerufen wird und damit ein Fehler der E-Feldmessung von 9*0,012*22,46 V/m= 2,4 V/m auftritt.
Damit zeigt sich, dass der Einfluss der Temperaturdrift nur einen geringen Messfehler durch die dadurch erzeugten Drehzahlschwankungen bewirkt.
- Offsetabgleich der Schaltung
Wie aus den Messungen abzulesen ist, fallen Offset-Schwankungen der Elektronik bei niedrig eingestellter Empfindlichkeit der Feldmühle stärker ins Gewicht. Man könnte den Spannungsregler durch stabilere Typen austauschen, um so die Stromversorgung der Schaltung als Fehlerquelle zu minimieren. Auch sollte man den Einsatz von Metalloxyd-Schicht-Widerständen vorziehen, da diese in Bezug auf Temperaturdrift und Rauscharmut den Kohleschichttypen überlegen sind.
Eine sicherlich positive Erweiterung der Schaltung wäre ein einstellbarer oder automatischer Offsetabgleich der Schaltung, um die Ausgangsspannung bei abgeschirmten Feld exakt auf 0 V/m kalibrieren zu können.