Elektrostatik messen verständlich

Funktionsprinzip Messung Elektrostatik



Nur auf den sogenannten Isolatoren können Ladungsfelder ruhen. Im direkten Kontakt, beispielsweise mit einem Messfühler kann man die Höhe dieser ruhenden Ladung nicht messen. Würde man einen Messfühler mit dieser ruhenden Ladung in Kontakt bringen, gäbe es einen Kurzschluss und  eventuell sogar einen Entladungsfunken zwischen der geladenen Oberfläche und dem Messfühler. Dabei würde Strom fließen und die tatsächliche Ladungshöhe würde deutlich reduziert werden. Ein falscher Wert würde angezeigt werden. Man kann also die Höhe der elektrostatischen Ladung nur indirekt, also kontaktlos messen. Hierfür verwendet man ein Elektrofeldmeter. Dieses Messgerät wird oft auch Rotationsvoltmeter, Feldmühle oder Feldstärke-Messgerät genannt. Wie so eine Feldstärkemessung ausschauen kann, zeigen die nachfolgenden kurzen Videos.




Zur Veranschaulichung betrachten wir mal am Beispiel einer Folienbahn wie die elektrostatische Ladung gemessen wird. Auf dem Bild sehen Sie den Messkopf eines Feldstärke-Messgeräts Typ "Statometer II©" der Firma HAUG© Ionisationssysteme GmbH & Co. KG.

Der Messkopf befindet sich in einer Messdistanz von 30 mm (0,03 m) senkrecht stehend über einer Folienbahn. Diese Bahn ist zunächst nicht elektrostatisch geladen. Es befindet sich also kein ruhendes elektrisches Feld von dem Feldlinien ausgehen könnten auf der Folienoberfläche. In den folgenden kleinen Animationen wurden die nebeneinander ruhenden positiven und negativen Ladungsfelder rot und blau dargestellt. An der Vorderseite des Messkopfes befindet sich ein kleines Flügelrad. Daher rührt auch der Name Feldmühle. Hinter dem Flügelrad befindet sich eine Sensorelektrode. Dies ist eine metallische, isolierte Kondensatorfläche die über das Messgerät zum Erdpotential hin kurz geschlossen wird. Das Flügelrad dreht sich vor dem Sensor und gibt periodisch ein Fenster frei, durch das die Feldlinien auf die Kondensatorfläche auftreffen können. Dabei wird diese Kondensatorfläche durch Influenz des externen elektrischen Feldes, quasi über die Feldlinien der Ladung jedesmal neu aufgeladen während das Flügelrad bei seiner Drehung das Fenster öffnet. Die auf der Kondensatorfläche aufgetragene Ladung fließt dabei über das Messgerät hin zum Erdpotential ab. Die Kondensatorfläche entlädt sich somit. Treffen die Feldlinien wieder auf wenn das Flügelrad die Sicht frei gibt, wird die Fläche erneut geladen. So geht es weiter, solange sich das Flügelrad vor der Kondensatorfläche dreht. Die aufgetragene Ladung fließt über ein Messgerät ab. Es fließt Strom. Nun erst kann die Menge dessen was abgeflossen ist gemessen werden. Eine kontinuierliche Messung der Ladungshöhe wurde somit ermöglicht.

Bei dieser Messung spielt die Distanz zwischen der geladenen Fläche und dem Messkopf natürlich ein große Rolle. Wie im dritten Video zu sehen ist, verändert sich die gemessene Ladungshöhe im Verhältnis zum Abstand des Messkopfes. Daher muss die tatsächliche Messdistanz in das Messergebnis mit herein gerechnet werden. Die Masseinheit ist daher Kilovolt pro Meter (kV/m). Multipliziert man die angezeigten kV/m mit der Messdistanz, hier beispielsweise 0,03 m, kürzt die "Meter" heraus, ergibt sich die Höhe der effektiv auf der Oberfläche ruhenden Ladung in kV. Moderne Messgeräte können beide Werte, kV/m und den gemäß der Messdistanz berechneten effektiven Wert kV ausgeben.




Beim Messen der Höhe der elektrostatischen Aufladung kann man leicht Fehler machen. Die Messergebnisse sollten aber korrekt, nachvollziehbar und überprüfbar sein. Bei der Messung sollten daher zumindest die folgenden wenigen Punkte beachtet werden.


1. Die von der Ladung ausgehenden Feldlinien lassen sich sehr leicht ablenken und treffen dann nicht mehr auf den Sensor auf. Sie messen nur noch Ergebnisse aus den restlichen Feldlinien die noch auf den Sensor auftreffen. Diese Messung ist wenig aussagekräftig.

Das bedeutet: Wenn sich irgendetwas näher als der Sensor an der elektrostatisch geladenen Oberfläche befindet, wandern die Feldlinien zum näher liegenden Objekt hin ab. Bei einer durch eine Maschine verlaufenden Folienbahn sollten Sie also dort messen, wo die Bahn frei durch den Raum verläuft. Die Feldlinien krümmen sich zu Umlenkwalzen oder Gleitflächen. Das Feld gelangt nicht zum Sensor, kann ihn nicht aufladen. Sie messen "Hausnummern".


2. Eine Feldstärkemessung in einer Produktionsanlage kann nur eine Erfassung des momentanen Zustands sein. Die Höhe der Ladung wird durch sehr viele Parameter beeinflusst die ständig wechseln können und die Sie kaum oder nicht beherrschen können.

Das bedeutet: Wenn Sie in einer Produktionsanlage an zwei verschiedenen Positionen einer Folienbahn messen, erhalten Sie auch zwei verschiedene Werte. Selbst wenn Sie den Messkopf an einer Position befestigt haben und die Werte kontinuierlich beobachten und sogar aufzeichnen werden Sie feststellen, dass Sie unterschiedlichste Messwerte erhalten wenn Sie nur einen der beeinflussenden Parameter verändern. Beeinflussende Parameter wären zum Beispiel die Geschwindigkeit der Folienbahn, die Beschaffenheit und Zusammensetzung des Materials, die Temperatur und Restfeuchte des Materials, die Höhe der relativen Luftfeuchte im Raum, Zugspannung der Bahn, Anpressdruck der Walzen, die Größe des Umschlingungswinkels der Bahn um die Walzen herum, die Anzahl der Umschlingungen um Walzen herum, die Größe und elektrische Leitfähigkeit der Berührungsflächen, der Gleitflächen und deren Berührungspunkte und viele Parameter mehr.

Also bleibt einem kaum etwas anderes übrig als zu einer Messung möglichst auch alle beeinflussenden Parameter im Auge zu behalten und bestenfalls zu dokumentieren um ein halbwegs reproduzierbares Ergebnis zu erhalten.


3. Vergessen Sie nicht das Feldstärkemessgerät während der Messung zu erden.

Das bedeutet: Das auf den Sensor aufgetragene Ladungspotential sollte zum Erdpotential hin abfließen können. Andernfalls kann nichts oder nur falsch gemessen werden. In der Regel verfügen die Feldstärkemessgeräte über eine Anschlussbuchse an der Sie das meistens mitgelieferte Kabel kontaktieren können.


4. Berühren Sie die elektrostatisch geladene Fläche nicht bevor Sie dort eine Feldstärkemessung durchführen.

Das bedeutet: Die elektrostatische Ladung würde ganz oder teilweise über Sie, Ihre Hand, Ihre Finger als Blitzableiter abfließen. Nicht nur, dass Sie ganz ordentlich eine geschossen bekommen könnten, Sie würden damit auch das Messergebnis massiv verfälschen.


5. Messen Sie immer nur während die Ladung direkt entsteht oder sofort nachdem sie entstanden ist.

Das bedeutet: Elektrostatische Ladung kann sich nach ihrem Entstehen auch in Abhängigkeit der oben genannten Parameter mehr oder weniger schnell wieder abbauen. Wenn Sie an einer laufenden Folienbahn messen erhalten Sie immer andere und höhere, aussagekräftigere Werte als an einer Folienbahn die in einer stehenden Maschine schon eine Zeit lang ruht.


6. Sind Sie vorsichtig wenn Sie es mit sehr hohen Ladungspotentialen zu tun haben. Sie könnten schwer verletzt werden oder Ihr Messgerät könnte zu Schaden kommen.

Das bedeutet: Denken Sie an eine große Rolle aufgewickelter Folie. Mit jedem Stückchen Folie wurde elektrostatische Ladung mit eingewickelt. Ein sehr hoch geladener "Wickelkondensator" hat sich gebildet. Kommen Sie diesem nach und nach summierten Ladungspotential zu nahe, können Sie als Blitzableiter einen sehr starken Entladungsfunken abbekommen. Dieser kann Ihrer Gesundheit schaden. Wenn dieser Entladungsfunke in Ihr Messgerät einschlägt kann im besten Fall lediglich die Kalibrierung des  Gerätes beeinträchtigt werden. Je nach Stärke ist leider auch eine Zerstörung des Gerätes möglich. Sorgen Sie also bitte vorab dafür, dass weder Sie noch andere und auch nicht Ihr Messgerät durch hohe elektrostatische Ladung geschädigt werden können. Wie? Dazu erhalten Sie in den weiteren Kapiteln auch noch so manchen Tipp.

Elektrostatik Hilfe zeigt einen Feldstärke Messkopf über einer Folienbahn
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Elektrostatik richtig messen

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