Mätning av statisk elektricitet
     - börjar där multimetern slutar

     Av Reinhold Rutks. Swedish Electro Static AB

Statisk elektricitet ger upphov till många produktionsproblem. För att kunna angripa problemen krävs mätmetoder. En går ut på att mäta provets uppladdning, en annan på att mäta dess materialegenskaper.
Men mätvärdena är av en helt annan storleksordning än vad den vanlige elektroingenjören är van vid.

Statisk elektricitet rör sig i helt andra mätområden än mätteknikern är van vid. Ström, spänning och motstånd antar extremvärden med den vanlige elektroingenjörens mått mätt. Strömmen är lägre, spänning och motstånd är högre än vad som kan mätas med traditionella mätinst-rument.

Studiet av statisk elektricitet har två mättekniskt olika delar: mätning av elektrostatisk uppladdning och mätning av ett materials elektrostatiska egenskaper.

För att studera den elektrostatiska uppladdningen mäts det elektriska fält som uppladdningen ger upphov till. Detta kräver en elektrostatisk fältmeter som bör arbeta upp till mätområdet ± 2 MV/m.

Man kan bestämma ett materials elektrostatiska egenskaper genom att mäta dess yt- och volym-resistans. Dessa resistanser är i storleks-ordningen teraohm (TΩ) och teraohmmeter. Dessutom måste resistansmetern ha mätkroppar som är avpassade för ändamålet.




VIKTIGA REGLER

För att mäta det elektrostatiska fält används en fält-meter. Det är absolut nödvändigt att mätinstrumentet är jordat.

Är inte mätinstrument jordat blir mätningarna i praktiken värdelösa. Antag till exempel att en person som mäter det elektro-statiska fältet bär isolerande skor. Dessa har säkert ett motstånd mot jorden som är större än 10 GΩ Låt oss nu säga att personen är elektrostatiskt upp-laddad till 10 kV, vilken är en rimlig siffra. Om nu mät-objektet vars elektrostatiska fält har laddningen 20 kV kommer mätteknikern att mäta upp skillnaden mellan denna laddning och sin egen laddning, det vill säga 10kV.

För att få ett riktigt mätresultat är det viktigt att instrumentet via kabel är anslutet till jord, exempelvis genom ett masinstativ. Den mänskliga kroppens motstånd är i allmänhet så låg att man kan ordna en jordförbindelse genom att gripa om ett jordat föremål med den fria handen.

För att mätningarna av elektrostatiska fält ska bli riktiga måste några viktiga regler följas:

• Fältmätaren måste vara jordad vid alla mätningar.

• Avståndet mellan mätobjektet och mätsonden måste vara mindre än mätsondens eller mäthuvudets diameter. Om det inte går att göra mätavståndet mindre, ökar man istället mätsondens aktiva diameter. Man trär då på en platta på mätsonden vilken ökar diametern.

• Vid varje mätning måste avståndet mellan mätobjekt och mätsond kontrolleras noggrant. Om mätserien upprepas måste mätavståndet vara detsamma för att kunna jämföras mellan gångerna.

• Mätavståndet får inte vara så stort att laddningsöar i omgivningen, som ger upphov till kraftigare fält, påverkar mätresultatet.

• Man får aldrig välja mätpunkter så att mätobjektet befinner sig ovanför jordade föremål som valsar, plåtar, stativbalkar eller liknande. Om så är fallet orienterar sig det elektriska fältet mot det jordade föremålet, så att endast en bråkdel av fältet registreras av fältmätaren.

YTANS POTENTAL

Det elektriska fältet riktas i varje punkt vinkelrätt ut från den laddade ytan. Det medför att fält från den plana respektive välvda ytor ser helt olika ut.
Den elektriska fältstyrkan ökar med antalet laddningar på den uppladdade ytan.
Sambandet kan skrivas q=ε • E, där q är laddning per ytenhet, E den elektriska fältstyrkan och ε är en konstant med värdet 8,86 pAs/Vm.
Ur detta samband kan man utläsa att laddningstätheten på en yta är direkt proportionell mot den uppmätta fältstyrkan. Det är dock viktigt att komma ihåg att mätarens utslag för hur stort värdet på det elektriska fältet är beror på avståndet till den uppladdade ytan. Det som avgör hur svåra de elektrostatiska problemen egentligen är, är ytans potential.
Sambandet skrivs E = U/a, där E är den uppmätta fält-styrkan, U ytans potential och a är avståndet mellan mätsonden och ytan.

- sida 1 -

Betrakta mätarutslaget E = 50 kV/. Om avståndet från mätsonden till den uppladdade ytan är 2 cm kan man räkna fram att ytans potential är 1,0 kV. Detta kan vara ödesdigert vid kretskortstillverkning, men betydelselöst för exempelvis ett tryckeri.

Det finns två olika sorters fältmätare, en som använder induktion och en som använder influens. Den sistnämnda kallas för fältkvarn. Fältkvarnen kan kompletteras med en tillsats av teflon. Med tillsatsen kan man mäta spänningar antingen upp till 2 kV eller till 40 kV, beroende på vilken tillsats man väljer. Genom att monteratillsatsen framför mätsonden åstadkommer man en mätkondensator.

Tillsatsen laddas upp genom att man ansluter den till mätobjektet med en sladd. Sedan känner mätsonden av tillsatsens uppladdning.

En teflontillsats för mätningar upp till 2 kV har ingångsresistansen 10TΩ. Genom att använda en tillsats av bärnsten istället för teflon som är standard kan man öka ingångsresistansen till 1TΩ.



MÄT MATERIALETS RESISTANS

Ibland är problemet med statisk elektricitet enkelt. Till exempel om det uppkommer problem då ett material som bearbetas blir uppladdat. Om man väljer ett annat material som har lägre resistans försvinner ofta problem-en. Därför är det viktigt att kunna mäta resistansen för olika material.

Idag är ett vanligt krav från kunderna att material som ska bearbetas ska vara antistatiskt eller åtminstone mindre benäget för statisk uppladdning.

Inom elektronikindustrin kräver man ofta att de material som används ska uppfylla vissa normer. Det kan vara exempelvis DIN, den tyska motsvarigheten till den svenska SIS-normen. Liknande krav börjar komma även från den grafiska branschen och plastindustrin.

Inom elektroniken kallar man i allmänhet motstånd på – 1000 MΩ för högohmiga. Men det som är högohmigt motstånd inom elektroniken är en kortslutning inom elektrostatiken.

Där ser man att ytor med en resistans som är lägre än 1000 MΩ är tillräckligt låg för att ytan ska vara avledande.

Ytresistanser mellan 1 och 100 GΩ är begränsat uppladdningsbara. Är ytresistansen större än 1 TΩ är det i allmänhet inte möjligt att leda bort den statiska uppladdningen.

Dessa högohmiga motstånd mäts i allmänhet med strömspänningsmetoden. Strömmen mäts vid konstant spänning och räknas om till resistans med hjälp av Ohms lag.

Det finns även ett annat sätt som går ut på att man mäter avklingningstiden hos ett material. Resultatet är det samma, men metoden är en annan. Mer om detta senare.



KAN EXPLODERA

När man mäter så här stora resistanser med ström-spänningsmetoden är det viktigt att man anpassar mätspänningen efter att man anpassar mätspänningen efter det aktuella motståndets storlek. I annat fall kan man orsaka allvarliga mätfel. Ett exempel på det kan vara om man har ett materialprov där ett antistatmedel är tillsatt.

Om antistatmedlet är inhomogent inblandat uppstår ”öar” av det. Lägger man på en för hög mätspänning kan avståndet mellan ”öarna” bryggas över elektriskt. Det leder till för låga mätvärden på materialets resistans. Om materialet skall användas i explosiva miljöer kan det leda till ödesdigra konsekvenser. Man tror att materialet har lägre resistans, och därmed mindre benägenhet att ladda upp sig, än vad det egentligen har.

- sida 2 -

Vid strömspänningsmetoden skall man även beakta omgivningens temperatur och luftfuktighet. Ett materials hygroskopiska egenskaper är dess förmåga att dra till sig fukt från luften. Det påverkar materialets elektrostatiska egenskaper. Vid låg luftfuktighet får materialet låg ledningsförmåga vilket ger det större elektrostatisk uppladdning. Det är därför nödvändigt att göra högohmmätningar vid kontrollerad luftfuktighet. Man måste ha samma luftfuktighet vid olika mätningar.

Temperaturen inverkar däremot bara indirekt på mätresultatet. En förändrad temperatur ger förändrad luftfuktighet. Ett exempel på att temperaturen och luftfuktigheten spelar roll, är när du försöker göra mätningar en kall vinterdag. Det är svårt, eftersom det råder låg relativ fuktighet.

Om mätströmmarna är extremt små måste man skärma av mätplatsen så att den inte påverkas av yttre fält. Ett exempel är då mätspänningen är 500 V och motståndet är 200 TΩ då flyter det endast en mätström på 2,5 pA. Vid motstånds-mätningar över 1 GΩ kan brumspänningar eller yttre rörliga laddningar störa mätningarna. För att undvika nätstörningar måste mätinstrumentet ha egen strömförsörjning.

När man avskärmar ledningar uppkommer kapacitanser. De måste man ta särskild hänsyn till när man mäter höga resistanser, med hjälp av tidsfunktionen¹, t = c • R

belyser följande exempel faran med kablar som har hög kapacitans.

Låt oss säga att kapacitansen från avskärmingen är 100 pF, vilket inte är omöjligt, och motståndet i den är 10 TΩ. Då nås 63% av motstånds-värdet efter 1000 sekunder. Man når ändvärdet först efter 5 x t, dvs man får man vänta i drygt 1 timme och 20 minuter. Kapacitansen måste därför hållas så låga som möjligt för att bringa ner tiden innan ändvärdet uppnås.

___________________________________________
¹ Tidsfuktionen beskrivs av

MÄT AVKLINGNINGSTID

Det andra sättet att få reda på ett materials resistans är genom att mäta avklingningstiden hos ett material efter en kontrollerad uppladdning.

Material som kan provas på detta sätt är papper, plast, textilier mm. Materialet måste vara i form av tunna ark eller i pulverform. I praktiken är det alltså mycket svårt att prova vätskor eller tredimensionella föremål.

När provet har rätt form, och när det är rätt luftfuktighet och temperatur i omgivningen görs provet oladdat. Det går till så att provet får passera en avladdningsutrust-ning tills en elektrostatisk fältmätare visar att provet är oladdat. Nu aktiverar man uppladdningselektroden som överför laddningen till provet. Man låter provet passera uppladdningselektroden under fritt fall. Då laddas det till en förutbestämd potential, vanligtvis till 6-12 kV.

Avklingningstiden mäts som den tid som förflyter från det att provet nått begynnelsepotentialen till dess att den halverats. Resultatet registreras på en skrivare, och ligger till grund för bland annat optimering av mängden antistatmedel i materialet.

- sida 3 -