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Simulationsbasierte Charakterisierung der berührungslosen Messung elektrostatischer Aufladung mittels Feldmühlen

20.11.2018

Elektrostatische Auf- und Entladungen auf Oberflächen können unter bestimmten Bedingungen zu einem sicherheitsrelevanten Problem in technischen Bereichen führen. Mehrere elektrische oder mechanische Geräte und Systeme, die für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen vorgesehen sind, verfügen über Gehäuse oder Oberflächen aus aufladbaren Materialien.

In explosionsgefährdeten Bereichen können elektrostatische Entladungen zur Entzündung eines explosiven Gemisches und damit zu einer Explosion führen. Die Zündfähigkeit einer Entladung, ausgehend von einer aufgeladenen Oberfläche, hängt mit der während des Durchbruches der Gasstrecke übertragenen Impulsladung zusammen. Neben der Impulsladung wird unter anderem auch der Oberflächenwiderstand oder die Fläche als Kriterium für die sicherheitstechnische Bewertung verwendet [1], [2]. Um die Höhe der elektrostatischen Aufladungen auf Oberflächen mit Angabe der entsprechenden Messgenauigkeit zu messen, ist eine rückführbare Messtechnik erforderlich.

Etablierte Messgeräte zur Erkennung elektrostatischer Ladungen sind das Handcoulombmeter und der Shunt [3], [4]. Ein Nachteil dieser Verfahren ist zum einen, dass sie bei der Bestimmung der Oberflächenladung das Messobjekt beein-flussen, indem sie die elektrostatische Aufladung der Oberfläche mittels einer provozierten Entladung bestimmen. Darüber hinaus können diese Messverfahren nicht angewendet werden, wenn eine explosionsfähige Atmosphäre vorhanden ist. Dieses Problem könnte mit der Feldmühle zur Bestimmung der Oberflächenladung behoben werden. Mit der Feldmühle wird durch die berührungslose und entladungsfreie Messung elektrostatischer Felder ein Messverfahren bereitgestellt, das eine Messung ohne direkte Beeinflussung des Messobjektes ermöglicht [5], [6].


Um die Feldmühle als Messgerät zu etablieren, ist eine genaue Kenntnis der Messmethode, der Charakterisierung der Einflussgrößen auf die Messung und der Rückführbarkeit der Messwerte auf nationale Normen erforderlich. Daher wurden bereits Voruntersuchungen zur Ermittlung der Einflussgrößen auf die Feldmühlen Messung durchgeführt. Erste Erkenntnisse über die Messgenauigkeit von Abstandsabhängigkeiten in homogenen und inhomogenen E-Feld-Konfigurationen konnten gewonnen werden [7]. Für weitere Untersuchungen wurde ein Simulationsmodell entwickelt, das auf dem Messaufbau von homogenen Elektrodenanordnungen basiert (Abbildung 1 a). Dabei wurde eine passive Untersuchungsmethode zur Charakterisierung von Feldmühlen entwickelt. Basierend auf diesem Modell wurden verschiedene Ansätze untersucht, um herauszufinden, wie der Feldmühlen Messkopf das Messobjekt erfasst. Diese Untersuchungen zeigten, dass der Messkopf durch einen Detektionskegel charakterisiert werden kann (Abbildung 1 b). Aufgrund von α und dem daraus resultierenden Detektionskegel, und in Abhängigkeit vom untersuchten Abstand a erkennt der Messkopf nicht nur das Messobjekt (Abbil-dung 1 c). Basierend auf den ersten Messergebnissen der Abstandsabhängigkeits-untersuchungen [7] konnte ein Messwinkel von α = 45 ° ± 5 ° für die untersuchte Feldmühle bestimmt werden. Die messtechnischen uns simulationsbasierten Un-tersuchungsergebnisse dienen als Basis zur Etablierung eines Kalibrierverfahrens für Feldmühlen.

Simulationsmodell des Messaufbaus

Literatur

[1]    U. v. Pidoll, „Testing products and processes with regard to electrostatic haz-ards at PTB“.
[2]    H. Steen, Handbuch des Explosionsschutzes, Wiley-VCH, 2009.
[3]    T. Langer, M. Beyer und U. von Pidoll, „Messtechnische Charakterisierung elektrostatischer
        Entladungen“, Technisches Messen, pp. 516 - 524, 2008.
[4]    A. Küchler, Hochspannungstechnik - Grundlagen - Technologie - Anwen-dungen, 3. neu
        bearbeitete und erweiterte Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2017.
[5]    G. Lüttgens, Expert Praxislexikon Statische Elektrizität, Expert Verlag, 2000.
[6]    G. Lüttgens, Statische Elektrizität begreifen - beherrschen - anwenden, 4. Völig neu bearbeitete
        Auflage, Expert Verlag, 2002.
[7]    C. Schierding, D. Möckel, C. Ladda, M. Beyer, „Messtechnische Charakterisie-rung der
        berührungslosen Messung elektrostatischer Aufladung mittels Feldmühlen“,13. Fachtagung
        Anlagen-, Arbeits- und Umweltsicherheit, Köthen, 2017