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Universelle Messmethode zum quantitativen Nachweis elektrostatischer Aufladungen

04.12.2017

In der Praxis steht man oft vor dem Problem, eine Aussage zu machen, ob bei einem Prozess eine zündfähige elektrostatische Entladung auftreten kann oder nicht. Für diese Fälle ist eine universell anwendbare Messmethode auf Basis einer Hochfrequenzringantenne, angeschlossen an ein Oszilloskop, geeignet. Diese Methode ist besonders geeignet, wenn die Messung innerhalb eines geerdeten Metallbehälters und/oder in explosionsgefährdeten Bereichen durchgeführt werden soll.

Für diese Fälle wird im Folgenden eine universell anwendbare Messmethode vorgestellt. Basis dieser Messmethode ist die Erfahrung, dass elektrostatische Entladungen Hochfrequenzimpulse erzeugen und diese Hochfrequenzimpulse von geeigneten Antennen detektiert werden können und Rückschlüsse auf die Stärke der Entladungen erlauben, wenn diese an ein schnelles Oszilloskop angeschlossen werden. Diese Methode ist besonders geeignet, wenn die Messung innerhalb eines geerdeten Metallbehälters und/oder in explosionsgefährdeten Bereichen durchgeführt werden soll.

Für die Durchführung der Versuche wird eine geeignete Antenne auf der Innenseite des Behälters einmal herum verlegt und deren Anschlusskabel durch eine elektrische Durchführung oder ein Loch mit einer Kabelverschraubung nach außen auf den 50 Ohm Eingang eines Oszilloskops mit einer Taktfrequenz von mind. 2 Gigasample/s gelegt. Hierbei ist es bevorzugt, wenn das Oszilloskop einen Zweitkanal mit der Funktion „Variable x Integral Kanal 1“ verfügt, welcher gleich die übertragene Ladung anzeigt. Solche Oszilloskope sind in der Zwischenzeit Stand der Mittelklasse-Technik. Wenn es um die Detektion sehr schwacher Entladungen von ca. 10 nC geht ist es sinnvoll, ein Oszilloskop mit vier Kanälen zu verwenden und an den dritten Kanal eine besonders empfindliche Zweit-Antenne anzuschließen.

Eine aus der ESD-Technik bekannte Antenne ist ein im Messbereich einmal herum verlegter Kreisdipol aus einem ca. 1 mm dicken außen isolierten Kupferdraht. Ein solcher Kreisdipol von 30 cm bis 200 cm Durchmesser hat einen Wellenwiderstand von 240 Ohm. Die beiden Enden der Antenne werden deshalb an den hochohmigen Eingang eines HF-Überträgers 4:1 mit einer ausreichend hohen Grenzfrequenz (> 100 Megahertz) angeschlossen und so auf ein geschirmtes koaxiales Anschlusskabel mit einem Wellenwiderstand von 50 bis 75 Ohm am niederohmigen Ausgang des Überträgers transformiert. Typischerweise befindet sich der Überträger im zu untersuchenden Behälter. Das erhaltene Messsignal kann durch provozierte Entladungen, die gleichzeitig mit einem geeichten Handcoulombmeter detektiert werden, kalibriert werden.

In Fällen, in denen auch schwache Entladungen um 10 nC sicher detektiert werden sollen, empfiehlt es sich, eine zweite, besonders empfindliche Antenne, zu verwenden, die an einen weiteren Kanal des Oszilloskops angeschlossen ist. Zu diesem Zweck geeignet ist ein sogenannter „geerdeter Strahler“, bei dem ein Stück gewöhnliches 75 Ohm Koaxialkabel, welches an einem Ende mit dem 50 Ohm Eingang eines Oszilloskops verbunden ist und bei dem der innere Leiter am anderen Ende an etwa der Hälfte des Kabels mit der Schirmung des Kabels wackelkontaktfrei verlötet wird. Während das eine Ende der Schirmung am Oszilloskop einen Wellenwiderstand von 0 Ohm aufweist, da es dort auf Erde liegt, hat das andere, freie Ende der Schirmung den Wellenwiderstand von Luft von etwa 377 Ohm. Der Trick bei dieser Antenne besteht darin, mit dem inneren Leiter des Koaxialkabels ungefähr den Punkt abzugreifen, bei dem die Schirmung den Widerstandswert von 75 Ohm aufweist und die gesamte Antenne kreisförmig anzuordnen.
Bisher wurde mit diesen Antennen zahlreiche Fragestellungen, z.B. das Auftreten von Entladungen bei der Spritzbefüllung von Behältern erfolgreich untersucht

Literatur:

Anders Thulin, Anders Molander und Ulrich von Pidoll, Electrostatic Discharges of Droplets of Various Liquids During Splash Filling, Chemical Engineering & Technology 39 (2016), 1972-1975.