WO2012139648A1 - Verfahren zum berührungslosen bestimmen eines elektrischen potentials eines objekts durch zwei verschiedene werte für den elektrischen fluss sowie vorrichtung - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method and a device for non-contact determination of an electrical potential of an object using one or a first and a second electrode.
- Non-contact potential measurement in particular high voltages, is of particular importance in the area of smart metering, smart grid and response demand strategies.
- capacitive tive voltage divider can be used for the determination of pure AC voltages, which must be known here also the Kop ⁇ pelkapaztician between a reference electrode and the mes ⁇ to send potential. Both methods or devices (electric field meter and capacitive voltage divider) require accurate knowledge of the coupling to the voltage to be measured, in particular the distance between the measuring electrode and the object to be measured. In this respect, these known methods are unsuitable for only temporary measuring operations or subsequent measuring installations. Electric field meters and capacitive voltage dividers are permanently installed for precise measurements and calibrated in the installation environment. With hand-held measuring instruments exact knowledge of the geometry and material condition (line insulation,
- Air, gas, condensation, etc. of the measurement setup required.
- commercially available electric field meters for example, special spacers are used.
- spacers have the disadvantage that they do not sit directly on the conductive material, in particular for determining the potential of electrically insulated lines, and thus adjust the distance only with insufficient accuracy.
- the nature of the insulating material can not be considered. If this precision of the known non-contact potential measuring methods is insufficient, it is usually necessary to measure the contact.
- the first and second values for the electrical flow between the electrode and the object can be understood as any value suitable for characterizing the electrical flow.
- the value may be a voltage of the electrode with respect to a reference potential.
- a reference potential applied to the electrode can be a variable. len, which characterizes the value for the electrical flux.
- the difference of the values characterizing the electrical flux can be formed by subtracting a first reference voltage at a first value for the fresh flow and a second reference voltage at a second value for the electrical flux.
- the value for the electrical flux between the electrode and the object can be effected in particular by a change in the distance between the electrode and the object and / or change in the dielectric constant of a material between electrode and object and / or active charging of the electrode via a Re ⁇ reference potential ,
- the measurement process is a ⁇ times and an unknown capacity is determined via a Referenzpo ⁇ tential section.
- the setting of the first value for the electrical flux between the electrode and the object is achieved by positioning the electrode at a first distance from the object and setting the reference potential.
- a first and a second electrode are now provided according to the second method according to the invention.
- the determination of the electrical potential of the object may, according to this method, possibly proceed faster than according to the first method. It is a robust and fast-working arrangement created to carry out the process.
- the first value for the electrical flux between the first electrode and the object is adjusted by positioning the first electrode at a first distance to the object and setting the first reference potential to a first potential value. Then, the A ⁇ provide the second value for the electrical flow between the second electrode and the object by positioning the second electrode in the first distance to the object and adjusting the second reference potential to a second potential value which is different from the first potential value.
- the setting of the first value for the electrical flux between the first electrode and the object by positioning the first
- a time-varying electrical potential of the object is determined by means of the method.
- a field stop or a chopper can then be omitted.
- Object to determine at least from the first and second temporal change of the electrical state of charge as well as a Dif ⁇ difference of the first value and the second value for the electrical flux.
- a second device likewise serves for the contactless determination of an electrical potential of an object and comprises a first and a second electrode, which are spatially spaced from the object can be arranged.
- the apparatus further comprises a first potential generator, which is electrically connected to the first electrode, a second potential generator, which is electrically connected to the second electrode, and an evaluation unit, which is adapted to a first time variation of an electrical state of charge of the first Electrode at ei ⁇ nem first value for the electrical flux between the first electrode and the object to determine, and a second temporal change of the electrical state of charge of the second ⁇ th electrode at a second value for the electrical flux between the second electrode and the object determine and to determine the electrical potential of the object at least ⁇ from the first and second temporal change of the electrical state of charge and from a difference of ers ⁇ th value and the second value for the electrical flux.
- FIG. 1 shows a schematic representation of a device for contactless determination of an electrical potential according to a first embodiment
- FIG. 2 shows a schematic representation of a device for the contactless determination of an electrical potential according to a second exemplary embodiment.
- the line 1 bil ⁇ det together with the measuring electrode 2 is a capacitor having a capacitance C.
- C the capacitance
- the unknown potential U uribe is known in the embodiment, a time ⁇ Lich variable change potential. Neither the plate distance d nor the dielectric constant ⁇ of the medium present between the measuring electrode 2 and the line 1 are exactly known. Therefore, a method is used with which the unknown potential Unknown can be determined even without knowledge of these quantities.
- the measuring electrode 2 is not electrically insulated, but electrically connected to a measuring arrangement.
- the charge current I caused by the effect of influence in the measuring electrode 2 can thus be measured.
- an output voltage U ou t can be determined.
- a measuring arrangement with an amplifier 4 is provided which has a first input 3a and a second input 3b and an output 5.
- the measuring electrode 2 is electrically connected to the ers ⁇ th input 3a of the amplifier 4, while a potential encoder 6 is electrically connected to the second input 3b.
- the output 5 is electrically connected via an electrical resistor R to the first input 3a.
- a reference potential U r ef can be set at the measuring electrode 2.
- the electric field E prevailing in the capacitor is at least partially compensated or amplified. In this way, the capacitor has a variable capacity C.
- the measurement of the unknown potential U Uribe known by adjusting two different reference potentials U and U re fi re f2 by means of the potential encoder is 6.
- the distance d is in this case unverän ⁇ changed.
- This derivation represents only one possible evaluation variant of the reference measurements. It is particularly suitable for sinusoidal voltage curves. For more complex signals, a completely decoupled reference signal (for example noise) is also conceivable. The evaluation can then take place, for example, via a cross-correlation.
- dt ⁇ is the dielectric constant in this case within the Kon ⁇ densatoran extract from line 1 and the measuring electrode 2.
- A is the area of the measuring electrode. 2
- At least two measurements are carried out successively on the same measuring electrode 2 with different reference potentials U re fi and U re f2. From the calculation of each resulting output signals is on the unknown measuring capacity and on the unknown potential U uribe knows the line 1 is closed.
- U re f kept constant beizube ⁇ and perform measurements at two different distances d.
- a similar approach is in the embodiment of FIG 2 be ⁇ steps, but now two identically constructed measuring electrodes 2a and 2b are provided, which are D2 arranged opposite the line 1 at a distance di, respectively.
- Each of the measurement electrodes 2a and 2b are each connected to an evaluation circuit, comprising in particular a first potential encoder 6a, and a second potential encoder 6b for setting a reference potential in each case U re fi whiteningswei ⁇ U se re f2. It can then be carried out a simultaneous measurement at the two measuring electrodes 2a and 2b in order to obtain the input quantities required for the determination of the coupling capacitance C according to the above equation.
- U re f U re f2 ⁇
- the measuring electrodes 2 a and 2 b are at different distances d 1 and d 2 to the line 1 and the reference potentials U re fi and U re f2, which are also different from each other, are set at the measuring electrodes 2 a and 2 b . Even then, a simultaneous execution of the two required measurements is possible.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Bestimmen eines elektrischen Potentials (Uunbekannt) eines Objekts (1) mit dem Schritt: Bereitstellen einer Elektrode (2), welche von dem Objekt (1) räumlich beabstandet ist, gekennzeichnet durch die Schritte: Verbinden der Elektrode (2) mit einem Bezugspotential (Uref ); Bestimmen einer ersten zeitlichen Veränderung eines elektrischen Ladezustands (I1) der Elektrode (2) bei einem ersten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode (2) und dem Objekt (1); Bestimmen einer zweiten zeitlichen Veränderung des elektrischen Ladezustands (I2) der Elektrode (2) bei einem zweiten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode (2) und dem Objekt (1); Ermitteln des elektrischen Potentials (Uunbekannt) des Objekts (1) zumindest aus der ersten (I1) und zweiten zeitlichen Veränderung des elektrischen Ladezustands (I2) sowie aus einer Differenz des ersten Werts und des zweiten Werts für den elektrischen Fluss.
Description
Beschreibung
Verfahren zum berührungslosen Bestimmen eines elektrischen Potentials eines Objekts durch zwei verschiedene Werte für den elektrischen Fluss sowie Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen eines elektrischen Potentials eines Objekts unter Verwendung einer oder einer ersten und einer zweiten Elektrode.
Es ist bekannt, den Stromfluss durch ein Objekt berührungslos zu messen. Dies kann über induktive Kopplung, den Hall-Effekt oder den GMR(Giant Magneto Resistance) -Effekt erfolgen. Um berührungslos elektrische Leistung messen zu können, ist je¬ doch neben der berührungslosen Strommessung auch ein Verfahren zur berührungslosen Potentialmessung erforderlich. Die berührungslose Potentialmessung, insbesondere hoher Spannungen, ist v.a. im Bereich Smart Metering, Smart Grid und Re- sponse-Demand-Strategien von besonderer Bedeutung.
Eine Möglichkeit hierfür bieten so genannte Elektrofeldmeter . Diese nutzen den Effekt der Influenz, um über die ermittelte elektrische Feldstärke auf die zu bestimmende Spannung schließen zu können. Dafür müssen jedoch der Abstand zwischen dem Objekt, dessen Potential bestimmt werden soll, und der Messelektrode des Elektrofeldmeters sowie das Material (Di¬ elektrikum) zwischen Messelektrode und Objekt in der Messka¬ pazität exakt bekannt sein. Um mit einem Elektrofeldmeter auch Gleichspannungen messen zu können, wird in der Regel zwischen der Messelektrode und dem Objekt ein Shutter (Feld¬ blende) in Form eines Choppers (Flügelrad) eingesetzt.
Für die Bestimmung reiner Wechselspannungen sind auch kapazi- tive Spannungsteiler nutzbar, wobei hier ebenfalls die Kop¬ pelkapazität zwischen einer Referenzelektrode und dem zu mes¬ senden Potential bekannt sein muss.
Beide Verfahren bzw. Vorrichtungen (Elektrofeldmeter und kapazitiver Spannungsteiler) setzen eine genaue Kenntnis der Ankopplung an die zu messende Spannung voraus, insbesondere des Abstands zwischen Messelektrode und Messobjekt. Insofern sind diese bekannten Verfahren für nur temporäre Messvorgänge oder nachträgliche Messinstallationen ungeeignet. Elektro- feldmeter und kapazitive Spannungsteiler werden für präzise Messungen fest installiert und in der Einbauumgebung kalibriert. Bei Handmessgeräten ist eine exakte Kenntnis der Geo- metrie und stofflichen Beschaffenheit (Leitungsisolation,
Luft, Gas, Betauung, etc.) des Messaufbaus nötig. Dazu werden bei handelsüblichen Elektrofeldmetern zum Beispiel spezielle Abstandshalter benutzt. Abstandshalter haben jedoch den Nachteil, dass sie insbesondere für die Potentialbestimmung elektrisch isolierter Leitungen nicht direkt auf dem leitenden Material aufsitzen und damit den Abstand nur unzureichend genau einstellen. Zudem kann die Art des isolierenden Materials nicht berücksichtigt werden. Reicht diese Präzision der bekannten berührungslosen Potentialmessverfahren nicht aus, muss üblicherweise kontaktierend gemessen werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen eine berührungslose Potentialmessung auch bei zunächst unbekannter Koppelkapazität möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, welches die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, ein Verfahren mit den Merkma¬ len des Patentanspruchs 4, eine Vorrichtung, welche die Merk- male des Patentanspruchs 12 aufweist, sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst.
Ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren dient zum berührungs¬ losen Bestimmen eines elektrischen Potentials eines Objekts und umfasst die folgenden Schritte:
- Bereitstellen einer Elektrode, welche von dem Objekt räumlich beabstandet ist;
- Verbinden der Elektrode mit einem Bezugspotential;
- Bestimmen einer ersten zeitlichen Veränderung eines elektrischen Ladezustands der Elektrode bei einem ersten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode und dem Objekt;
- Bestimmen einer zweiten zeitlichen Veränderung des elektri- sehen Ladezustands der Elektrode bei einem zweiten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode und dem Objekt;
- Ermitteln des elektrischen Potentials des Objekts zumindest aus der ersten und zweiten zeitlichen Veränderung des elektrischen Ladezustands sowie aus einer Differenz des ersten Werts und des zweiten Werts für den elektrischen Fluss.
Das Verfahren erlaubt es, dass für eine Bestimmung des elektrischen Potentials des Objekts keine vorherige Kenntnis des Abstands der Elektrode von dem Objekt und/oder einer Die¬ lektrizitätskonstante (zum Beispiel des Materials einer Ka¬ belisolation) zwischen der Elektrode und dem Objekt erforderlich ist. Das Verfahren umfasst insbesondere Teilschritte, die als Schritte einer Autokalibrierung aufgefasst werden können. Hierdurch kann eine exakte mechanische Justage bezie¬ hungsweise ein definierter Festeinbau einer Messvorrichtung gegenüber dem Objekt entfallen. Auch dynamische Veränderungen im Messaufbau (Temperatureinflüsse, Druckänderungen, Feuch¬ tigkeit etc. und hierdurch bedingte Änderungen im Abstand oder der Dielektrizitätskonstante) können kompensiert werden. Es ist ein robustes und universell einsetzbares Verfahren zur berührungslosen Potentialmessung geschaffen.
Unter dem ersten und zweiten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode und dem Objekt kann jeder Wert ver- standen werden, der geeignet ist, den elektrischen Fluss zu charakterisieren. Insbesondere kann es sich bei dem Wert um eine Spannung der Elektrode gegenüber einem Bezugspotential handeln. Als Wert kann beispielsweise auch eine elektrische Feldstärke dienen. Auch der Wert eines Umladestroms , welcher zwischen der Elektrode und einem Bezugspotential fließt, kann Rückschlüsse auf den elektrischen Fluss zwischen der Elektro¬ de und dem Objekt zulassen. Beispielsweise kann ein an der Elektrode anliegendes Referenzpotential eine Größe darstel-
len, welche den Wert für den elektrischen Fluss charakterisiert. Dann kann insbesondere die Differenz der den elektrischen Fluss charakterisierenden Werte durch Subtraktion einer ersten Referenzspannung bei einem ersten Wert für den elek- frischen Fluss und einer zweiten Referenzspannung bei einem zweiten Wert für den elektrischen Fluss gebildet werden. Der Wert für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode und dem Objekt kann insbesondere durch eine Veränderung des Ab- stands zwischen Elektrode und Objekt und/oder Veränderung der Dielektrizitätskonstante eines Materials zwischen Elektrode und Objekt und/oder aktives Laden der Elektrode über ein Re¬ ferenzpotential erfolgen.
Vorzugsweise erfolgt das Einstellen des ersten Wertes für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode und dem Objekt durch Positionieren der Elektrode in einem ersten Abstand zu dem Objekt und Einstellen des Bezugspotentials auf einen ers¬ ten Potentialwert. Dann erfolgt das Einstellen des zweiten Werts für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode und dem Objekt durch Positionieren der Elektrode in dem ersten
Abstand zu dem Objekt und Einstellen des Bezugspotentials auf einen zweiten Potentialwert, welcher von dem ersten Potentialwert verschieden ist. Durch die unterschiedlichen Potentialwerte bei gleichem Abstand werden zwei unterschiedliche elektrische Feldstärken eingestellt, so dass über eine Diffe¬ renzbildung dieser Feldstärken in der Berechnung die unbekannte Feldstärke wegfällt. Dies erlaubt es, die Kapazität der Anordnung aus Objekt und Elektrode auch ohne explizite Kenntnis des Abstands zwischen Objekt und Elektrode und/oder die Elektrizitätskonstante im Medium zwischen Elektrode und Objekt zu berechnen. Insgesamt ist der Messablauf sehr ein¬ fach und eine unbekannte Kapazität ist über eine Referenzpo¬ tentialänderung bestimmbar. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Einstellen des ersten Werts für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode und dem Objekt durch Positionieren der Elektrode in einem ersten Abstand zu dem Objekt und Einstellen des Bezugspoten-
tials auf einen ersten Potentialwert erfolgt und das Einstel¬ len des zweiten Werts für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode und dem Objekt durch Positionieren der Elektrode in einem zweiten Abstand zu dem Objekt, welcher von dem ersten Abstand verschieden ist, und Einstellen des Bezugspotentials auf den ersten Potentialwert erfolgt. Ein und dieselbe Elek¬ trode wird also nacheinander in zwei verschiedenen Abständen zu dem Objekt positioniert, wobei das Bezugspotential an der Elektrode konstant gehalten wird. Dann stehen wiederum zwei geeignete Werte zur Verfügung, die eine Ermittlung der unbe¬ kannten Kapazität der Kondensatoranordnung und anschließend eine Ermittlung des unbekannten Potentials erlauben.
Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren dient zum berührungs¬ losen Bestimmen eines elektrischen Potentials eines Objekts und umfasst die folgenden Schritte:
- Bereitstellen einer ersten und einer zweiten Elektrode, welche von dem Objekt räumlich beabstandet sind;
- Verbinden der ersten Elektrode mit einem ersten Bezugspotential und Verbinden der zweiten Elektrode mit einem zweiten Bezugspotential ;
- Bestimmen einer ersten zeitlichen Veränderung eines elektrischen Ladezustands der ersten Elektrode bei einem ersten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der ersten Elektrode und dem Objekt;
- Bestimmen einer zweiten zeitlichen Veränderung des elektrischen Ladezustands der zweiten Elektrode bei einem zweiten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der zweiten Elektrode und dem Objekt;
- Ermitteln des elektrischen Potentials des Objekts zumindest aus der ersten und zweiten zeitlichen Veränderung des elektrischen Ladezustands sowie aus einer Differenz des ersten Werts und des zweiten Werts für den elektrischen Fluss. Im Gegensatz zu dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren wird gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren nunmehr eine erste und eine zweite Elektrode bereitgestellt. Für die Ein¬ stellung der unterschiedlichen Werte für den elektrischen
Fluss zwischen der ersten Elektrode und dem Objekt ist dann keine Veränderung von Parametern an einer einzigen Elektrode mehr erforderlich. Vielmehr können durch die erste Elektrode und ihre relative Anordnung zu dem Objekt erste Parameter eingestellt sein und durch die zweite Elektrode zweite Para¬ meter eingestellt sein, welche gemeinsam Rückschlüsse auf die Koppelkapazität zwischen den Elektroden und dem Objekt erlau¬ ben. Das Bestimmen des elektrischen Potentials des Objekts kann gemäß diesem Verfahren gegebenenfalls schneller ablaufen als gemäß dem ersten Verfahren. Es ist eine robuste und schnell arbeitende Anordnung für die Durchführung des Verfahrens geschaffen.
Vorzugsweise erfolgt das Einstellen des ersten Werts für den elektrischen Fluss zwischen der ersten Elektrode und dem Objekt durch Positionieren der ersten Elektrode in einem ersten Abstand zu dem Objekt und Einstellen des ersten Bezugspotentials auf einen ersten Potentialwert. Dann erfolgt das Ein¬ stellen des zweiten Werts für den elektrischen Fluss zwischen der zweiten Elektrode und dem Objekt durch Positionieren der zweiten Elektrode in dem ersten Abstand zu dem Objekt und Einstellen des zweiten Bezugspotentials auf einen zweiten Potentialwert, welcher von dem ersten Potentialwert verschieden ist .
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Einstellen des ersten Werts für den elektrischen Fluss zwischen der ersten Elektrode und dem Objekt durch Positionieren der ersten
Elektrode in einem ersten Abstand zu dem Objekt und Einstel- len des ersten Bezugspotentials auf einen ersten Potential¬ wert erfolgt. Dann ist vorgesehen, dass das Einstellen des zweiten Werts für den elektrischen Fluss zwischen der zweiten Elektrode und dem Objekt durch Positionieren der zweiten Elektrode in einem zweiten Abstand zu dem Objekt, welcher von dem ersten Abstand verschieden ist, und Einstellen des zweiten Bezugspotentials auf den ersten Potentialwert erfolgt. Alternativ sind auch andere Kombinationen möglich, wobei beispielsweise die erste Elektrode und die zweite Elektrode un-
terschiedliche Abstände zu dem Objekt einnehmen und zudem auf verschiedene Bezugspotentiale gelegt sind. Es ergibt sich ei¬ ne Vielzahl an Freiheitsgraden in der Ausgestaltung des Messverfahrens. Bei keinem der Messverfahren ist die Kenntnis ei- nes absoluten Abstands einer der Elektroden von dem Objekt erforderlich .
Die erste und zweite Elektrode müssen nicht identisch ausge¬ bildet sein. Es kann insbesondere nur erforderlich sein, dass ein Zusammenhang zwischen kapazitätsbeeinflussenden Größen zwischen den beiden Elektroden bekannt ist. Hat beispielswei¬ se die erste Elektrode eine andere Elektrodenfläche als die zweite Elektrode, so muss gegebenenfalls die Elektrodenfläche einer der Elektroden absolut bekannt sein und Klarheit dar- über herrschen, in welchem Verhältnis die Fläche der zweiten Elektrode zu jener der ersten Elektrode steht. Besonders be¬ vorzugt ist es allerdings, wenn die erste Elektrode und die zweite Elektrode identisch ausgebildet sind. Dann ist das Messverfahren mithilfe zweier Elektroden mit jeweils unter- schiedlichen Parameterwerten zu ein und demselben Zeitpunkt äquivalent zu einer Messdurchführung mit nur einer einzigen Elektrode mit den jeweils unterschiedlichen Parametern zu zwei verschiedenen Zeitpunkten. Allerdings kann die Messung mit den zwei Elektroden schneller erfolgen und es bedarf ge- gebenenfalls keiner zeitveränderlichen Komponenten und beweglichen Bauteile.
Vorzugsweise erfolgt das Bestimmen der zeitlichen Veränderung des elektrischen Ladezustands in der zumindest einen Elektro- de durch Messung eines Umladestroms . Der Umladestrom kann insbesondere durch ein Strommessgerät gemessen werden, wel¬ ches zwischen der Elektrode und einem Bezugspotentialträger angeordnet ist. Die Messung kann sehr genau erfolgen. Vorzugsweise ist die zumindest eine Elektrode mit einem ers¬ ten Eingang eines Verstärkers und das Bezugspotential mit ei¬ nem zweiten Eingang des Verstärkers und ein Ausgang des Verstärkers mit dem ersten Eingang elektrisch verbunden. Diese
Messanordnung ist besonders vorteilhaft, um ein definiertes Bezugspotential an der Elektrode einzustellen.
Vorzugsweise wird mittels des Verfahrens ein zeitlich verän- derliches elektrisches Potential des Objekts bestimmt. Eine Feldblende beziehungsweise ein Chopper kann dann entfallen.
Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass zwischen der zumindest einen Elektrode und dem Objekt ein rotierendes Flügelrad (Chopper) und/oder eine Feldblende und/oder ein
Shutter angeordnet wird und ein zeitlich konstantes elektri¬ sches Potential des Objekts bestimmt wird. Mittels des Flü¬ gelrads kann periodisch ein feldfreier Referenzzustand herge¬ stellt werden, der auch bei statischen Potentialen eine Mes- sung über das Prinzip der Influenz erlaubt. Die Verfahren sind auf diese Art besonders universell einsetzbar.
Eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur berührungs¬ losen Bestimmung eines elektrischen Potentials eines Objekts und umfasst eine Elektrode, welche von dem Objekt räumlich beabstandet anordenbar ist. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Potentialgeber, welcher mit der Elektrode elektrisch verbunden ist, und eine Auswerteeinheit, welche dazu ausge¬ bildet ist, eine erste zeitliche Veränderung eines elektri- sehen Ladezustands der Elektrode bei einem ersten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode und dem Objekt zu bestimmen, und eine zweite zeitliche Veränderung des elektrischen Ladezustands der Elektrode bei einem zweiten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode und dem Objekt zu bestimmen, und das elektrische Potential des
Objekts zumindest aus der ersten und zweiten zeitlichen Veränderung des elektrischen Ladezustands sowie aus einer Diffe¬ renz des ersten Werts und des zweiten Werts für den elektrischen Fluss zu bestimmen.
Eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung dient ebenfalls zur berührungslosen Bestimmung eines elektrischen Potentials eines Objekts und umfasst eine erste und eine zweite Elektrode,
welche von dem Objekt räumlich beabstandet anordenbar sind. Die Vorrichtung umfasst ferner einen ersten Potentialgeber, welcher mit der ersten Elektrode elektrisch verbunden ist, einen zweiten Potentialgeber, welcher mit der zweiten Elek- trode elektrisch verbunden ist, und eine Auswerteeinheit, welche dazu ausgebildet ist, eine erste zeitliche Veränderung eines elektrischen Ladezustands der ersten Elektrode bei ei¬ nem ersten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der ersten Elektrode und dem Objekt zu bestimmen, und eine zweite zeitliche Veränderung des elektrischen Ladezustands der zwei¬ ten Elektrode bei einem zweiten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der zweiten Elektrode und dem Objekt zu bestimmen, und das elektrische Potential des Objekts zumin¬ dest aus der ersten und zweiten zeitlichen Veränderung des elektrischen Ladezustands sowie aus einer Differenz des ers¬ ten Werts und des zweiten Werts für den elektrischen Fluss zu bestimmen .
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäßen Verfahren dargestell- ten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur berührungslosen Bestimmung eines elektrischen Potentials gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und FIG 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur berührungslosen Bestimmung eines elektrischen Potentials gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
FIG 1 zeigt eine Leitung 1, deren unbekanntes Potential Unbekannt bestimmt werden soll. Hierfür ist in einem (unbekannten)
Abstand d eine Messelektrode 2 angeordnet. Die Leitung 1 bil¬ det gemeinsam mit der Messelektrode 2 einen Kondensator mit einer Kapazität C. Im Ausführungsbeispiel sei von einem ein¬ fachen Plattenkondensator, dessen Innenraum von einem elek- frischen Feld E durchsetzt wird, ausgegangen. Zudem sei das unbekannte Potential Uuribekannt im Ausführungsbeispiel ein zeit¬ lich veränderliches Wechselpotential. Weder der Plattenab¬ stand d noch die Dielektrizitätskonstante ε des zwischen der Messelektrode 2 und der Leitung 1 vorliegenden Mediums sind genau bekannt. Es wird deshalb ein Verfahren angewandt, mit dem sich das unbekannte Potential Unbekannt auch ohne Kenntnis dieser Größen bestimmen lässt.
Die Messelektrode 2 ist nicht elektrisch isoliert, sondern mit einer Messanordnung elektrisch verbunden. Der aufgrund von Influenzwirkung in der Messelektrode 2 hervorgerufene Um- ladestrom I kann so gemessen werden. Alternativ kann auch eine Ausgangsspannung Uout ermittelt werden. Hierfür ist eine Messanordnung mit einem Verstärker 4 vorgesehen, welcher über einen ersten Eingang 3a und einen zweiten Eingang 3b sowie einen Ausgang 5 verfügt. Die Messelektrode 2 ist mit dem ers¬ ten Eingang 3a des Verstärkers 4 elektrisch verbunden, während ein Potentialgeber 6 mit dem zweiten Eingang 3b elektrisch verbunden ist. Zudem ist der Ausgang 5 über einen elektrischen Widerstand R mit dem ersten Eingang 3a elektrisch verbunden. Über den Potentialgeber 6 kann ein Referenzpotential Uref an der Messelektrode 2 eingestellt werden. Je nach Stärke des eingestellten Referenzpotentials Uref wird das im Kondensator herrschende elektrische Feld E zumindest teilweise kompensiert oder verstärkt. Auf diese Art verfügt der Kondensator über eine variabel Kapazität C.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der FIG 1 erfolgt die Messung des unbekannten Potentials Uuribekannt durch Einstellen zweier unterschiedlicher Referenzpotentiale Uref i und Uref2 mittels des Potentialgebers 6. Der Abstand d bleibt hierbei unverän¬ dert. Es ergeben sich folgende physikalische Zusammenhänge:
für den Potentialunterschied zwischen den Platten des Kondensators gilt: Ul— Uunbekannt U ref\
&u2=uunbekannt-uref2 der jeweils fließende Umladestrom I beträgt: dt ~ ^ unbekannt U ref l ,
cd(AU2) = iat/ _ ~
\ unbekannt ref2 für die Differenz der Umladeströme I i und I 2 ergibt
1 2
C eiüref2-Ürefl) damit kann man aus zwei Messpunkten auf die Koppelkapazität C schließen:
In der Herleitung wird von starren Phasenbeziehungen ausgegangen, die durch eine Nachführung der Phase von Uref gegen¬ über I erreicht werden kann. Die mit Dach (A) versehenen Größen stellen dabei die Amplituden des Umladestroms I bezie¬ hungsweise des Referenzpotentials Uref dar.
Diese Herleitung stellt nur eine mögliche Auswertevariante der Referenzmessungen dar. Sie ist insbesondere für sinusförmige Spannungsverläufe geeignet. Bei komplexeren Signalen ist auch ein völlig entkoppeltes Referenzsignal (zum Beispiel ein Rauschen) denkbar. Die Auswertung kann dann zum Beispiel über eine Kreuzkorrelation erfolgen.
Für FIG 1 seien die wesentlichen physikalischen Zusammenhänge nochmals gesammelt dargestellt:
c ε-Α
d
AU
E
d d(AU)
I = C
dt d(AU)
U, out R I RC
dt ε ist hierbei die Dielektrizitätskonstante innerhalb der Kon¬ densatoranordnung aus Leitung 1 und Messelektrode 2. A ist die Fläche der Messelektrode 2.
Gemäß der in FIG 1 dargestellten Ausführungsform werden mindestens zwei Messungen nacheinander an derselben Messelektrode 2 mit verschiedenen Referenzpotentialen Urefi und Uref2 durchgeführt. Aus der Verrechnung der jeweils entstehenden Ausgangssignale wird auf die unbekannte Messkapazität und auf das unbekannte Potential Uuribekannt der Leitung 1 geschlossen.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, Uref konstant beizube¬ halten und Messungen bei zwei verschiedenen Abständen d durchzuführen . Ein ähnlicher Weg ist im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 2 be¬ schritten, wobei nunmehr jedoch zwei identisch ausgebildete Messelektroden 2a und 2b vorgesehen sind, die im Abstand di beziehungsweise d2 gegenüber der Leitung 1 angeordnet sind. Jede der Messelektroden 2a und 2b ist jeweils mit einer Aus- werteschaltung verbunden, die insbesondere einen ersten Potentialgeber 6a und einen zweiten Potentialgeber 6b zur Einstellung jeweils eines Referenzpotentials Urefi beziehungswei¬ se Uref2 umfasst. Es kann dann eine gleichzeitige Messung an den beiden Messelektroden 2a und 2b durchgeführt werden, um
die für die Bestimmung der Koppelkapazität C gemäß obiger Gleichung erforderlichen Eingangsgrößen zu erhalten.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der FIG 2 besitzen die Refe- renzpotentiale Urefi und Uref2 denselben Wert, das heißt Urefi = Uref2 · Die erforderliche Einstellung unterschiedlicher Messpa¬ rameter erfolgt durch die voneinander verschiedenen Abstände di und d2. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass zumindest zwei Messungen an den zwei unterschiedlichen Mess- elektroden 2a und 2b bei identischem Abstand (di = d2) und verschiedenen Referenzpotentialen Urefi und Uref2 gegebenen¬ falls gleichzeitig durchgeführt werden. Auch eine Kombination beider Verfahren ist möglich. Dann befinden sich die Messelektroden 2a und 2b wie in FIG 2 gezeigt in unterschiedli- ehern Abstand di beziehungsweise d2 zur Leitung 1 und es wer¬ den auch voneinander verschiedene Referenzpotentiale Urefi und Uref2 an den Messelektroden 2a beziehungsweise 2b eingestellt. Auch dann ist eine gleichzeitige Durchführung der zwei erforderlichen Messungen möglich.
Zusammenfassend erfolgt also die Variation des Referenzpoten¬ tials Uref beziehungsweise des Abstands d für mindestens zwei Referenzmessungen beziehungsweise Kalibrationsmessungen .
Durch Messung der Influenzwirkung beim jeweiligen Referenzpo- tential Uref beziehungsweise Abstand d erhält man jeweils ein zugehöriges Ausgangssignal (Umladestrom I an der Messelektro¬ de 2 oder Ausgangsspannung Uout) · Aus der Verrechnung von min¬ destens zwei solchen Ausgangssignalen ist ein Rückschluss auf das zu messende Potential Uuribekannt beziehungsweise auf die Koppelkapazität C möglich, ohne dass eine exakte Kenntnis der Koppelkapazität C beziehungsweise der Geometrie und stoffli¬ chen Beschaffenheit der Anordnung im Kondensator erforderlich wäre .
Bezugs zeichenliste
1 Leitung
2, 2a, 2b Messelektrode
3a, 3b Eingang
4 Verstärker
5 Ausgang
6, 6a, 6b Potentialgeber
Uunbekannt Potential
Uunbekannt Amplitude des Potentials d, di, d2 Abstand
Uref, Urefl, Uref2 Referenzpotential
Uref, Urefl, Uref2 Amplitude des Referenzpotent
I, Ii, I2 Umladestrom
ί, ίι, ί2 Amplitude des Umladestroms
Uout, U outl , U0ut2 AusgangsSpannung
R elektrischer Widerstand E elektrisches Feld
C Kapazität
A Fläche
ε Dielektrizitätskonstante
AUi, AU2 Potentialunterschied
Claims
1. Verfahren zum berührungslosen Bestimmen eines elektrischen Potentials (Uuribekannt) eines Objekts (1) mit dem Schritt:
- Bereitstellen einer Elektrode (2), welche von dem Objekt (1) räumlich beabstandet ist,
gekennzeichnet durch die Schritte:
- Verbinden der Elektrode (2) mit einem Bezugspotential
(Uref) ;
- Bestimmen einer ersten zeitlichen Veränderung eines elektrischen Ladezustands (Ii) der Elektrode (2) bei einem ersten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode (2) und dem Objekt (1);
- Bestimmen einer zweiten zeitlichen Veränderung des elektri- sehen Ladezustands (I2) der Elektrode (2) bei einem zweiten
Wert für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode (2) und dem Objekt (1);
- Ermitteln des elektrischen Potentials (Uuribekannt) des Objekts (1) zumindest aus der ersten (Ii) und zweiten zeitlichen Ver- änderung des elektrischen Ladezustands (I2) sowie aus einer Differenz des ersten Werts und des zweiten Werts für den elektrischen Fluss.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch die Schritte:
- Einstellen des ersten Werts für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode (2) und dem Objekt (1) durch Positionie¬ ren der Elektrode (2) in einem ersten Abstand (di) zu dem Ob¬ jekt (1) und Einstellen des Bezugspotentials auf einen ersten Potentialwert (Urefi)·'
- Einstellen des zweiten Werts für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode (2) und dem Objekt (1) durch Positio¬ nieren der Elektrode (2) in dem ersten Abstand (di) zu dem Objekt (1) und Einstellen des Bezugspotentials auf einen zweiten Potentialwert (Uref2) welcher von dem ersten Potenti¬ alwert (Urefi) verschieden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte:
- Einstellen des ersten Werts für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode (2) und dem Objekt (1) durch Positionie¬ ren der Elektrode (2) in einem ersten Abstand (di) zu dem Ob- jekt (1) und Einstellen des Bezugspotentials auf einen ersten Potentialwert ( Urefi ) · '
- Einstellen des zweiten Werts für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode (2) und dem Objekt (1) durch Positio¬ nieren der Elektrode (2) in einem zweiten Abstand (d2) zu dem Objekt (1), welcher von dem ersten Abstand (di) verschieden ist, und Einstellen des Bezugspotentials auf den ersten Po¬ tentialwert ( Urefl ) ·
4. Verfahren zum berührungslosen Bestimmen eines elektrischen Potentials eines Objekts (1) mit dem Schritt:
- Bereitstellen einer ersten (2a) und einer zweiten Elektrode (2b), welche von dem Objekt räumlich beabstandet sind, gekennzeichnet durch die Schritte:
- Verbinden der ersten Elektrode (2a) mit einem ersten Be- zugspotential ( Urefi ) und Verbinden der zweiten Elektrode (2b) mit einem zweiten Bezugspotential (Uref2)
- Bestimmen einer ersten zeitlichen Veränderung eines elektrischen Ladezustands ( I i ) der ersten Elektrode (2a) bei ei¬ nem ersten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der ers- ten Elektrode (2a) und dem Objekt (1);
- Bestimmen einer zweiten zeitlichen Veränderung des elektrischen Ladezustands ( I 2 ) der zweiten Elektrode (2b) bei einem zweiten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der zweiten Elektrode (2b) und dem Objekt (1);
- Ermitteln des elektrischen Potentials ( Uuribekannt ) des Objekts (1) zumindest aus der ersten ( I i ) und zweiten zeitlichen Veränderung des elektrischen Ladezustands ( I 2 ) sowie aus einer Differenz des ersten Werts und des zweiten Werts für den elektrischen Fluss.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
gekennzeichnet durch die Schritte: - Einstellen des ersten Werts für den elektrischen Fluss zwischen der ersten Elektrode (2a) und dem Objekt (1) durch Po¬ sitionieren der ersten Elektrode (2a) in einem ersten Abstand (di) zu dem Objekt (1) und Einstellen des ersten Bezugspoten- tials auf einen ersten Potentialwert ( Urefi ) !
- Einstellen des zweiten Werts für den elektrischen Fluss zwischen der zweiten Elektrode (2b) und dem Objekt (1) durch Positionieren der zweiten Elektrode (2b) in dem ersten Abstand (di) zu dem Objekt (1) und Einstellen des zweiten Be- zugspotentials auf einen zweiten Potentialwert (Uref2) t wel¬ cher von dem ersten Potentialwert ( Urefi ) verschieden ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4,
gekennzeichnet durch die Schritte:
- Einstellen des ersten Werts für den elektrischen Fluss zwischen der ersten Elektrode (2a) und dem Objekt (1) durch Po¬ sitionieren der ersten Elektrode (2a) in einem ersten Abstand (di) zu dem Objekt (1) und Einstellen des ersten Bezugspotentials auf einen ersten Potentialwert ( Urefi ) 1
- Einstellen des zweiten Werts für den elektrischen Fluss zwischen der zweiten Elektrode (2b) und dem Objekt (1) durch Positionieren der zweiten Elektrode (2b) in einem zweiten Abstand (d2) zu dem Objekt (1), welcher von dem ersten Abstand (di) verschieden ist, und Einstellen des zweiten Bezugspoten- tials auf den ersten Potentialwert ( Urefi ) ·
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (2a) und zweite Elektrode (2b) identisch ausgebildet sind.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der zeitlichen Veränderung des elektrischen Ladezustands der zumindest einen Elektrode (2, 2a, 2b) durch Messung eines Umladestroms (I, Ii, I2) er- folgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Elektrode (2, 2a, 2b) mit einem ersten Eingang (3a) eines Verstärkers (4) und das Bezugspotential (Uref) mit einem zweiten Eingang (3b) des Ver¬ stärkers (4) und ein Ausgang (5) des Verstärkers (4) mit dem ersten Eingang (3a) elektrisch verbunden wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlich veränderliches elek¬ trisches Potential ( Uuribekannt ) des Objekts (1) bestimmt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zumindest einen Elektrode (2, 2a, 2b) und dem Objekt (1) ein rotierendes Flügelrad angeord¬ net wird und ein zeitlich konstantes elektrisches Potential (Unbekannt) des Objekts (1) bestimmt wird.
12. Vorrichtung zur berührungslosen Bestimmung eines elektrischen Potentials ( Uuribekannt ) eines Objekts (1) mit einer Elek¬ trode (2), welche von dem Objekt (1) räumlich beabstandet anordenbar ist,
gekennzeichnet durch
einen Potentialgeber (6), welcher mit der Elektrode (2) elektrisch verbunden ist, und einer Auswerteeinheit, welche dazu ausgebildet ist, eine erste zeitliche Veränderung eines elektrischen Ladezustands ( I i ) der Elektrode (2) bei einem ersten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode (2) und dem Objekt (1) zu bestimmen, und eine zweite zeitli¬ che Veränderung des elektrischen Ladezustands ( I 2 ) der Elektrode (2) bei einem zweiten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der Elektrode (2) und dem Objekt (1) zu bestimmen, und das elektrische Potential ( Uuribekannt ) des Objekts (1) zu¬ mindest aus der ersten ( I i ) und zweiten zeitlichen Veränderung des elektrischen Ladezustands ( I 2 ) sowie aus einer Dif¬ ferenz des ersten Werts und des zweiten Werts für den elektrischen Fluss zu bestimmen.
13. Vorrichtung zur berührungslosen Bestimmung eines elektrischen Potentials ( Uuribekannt ) eines Objekts (1) mit einer ersten (2a) und einer zweiten Elektrode (2b), welche von dem Objekt (1) räumlich beabstandet anordenbar sind,
gekennzeichnet durch
einen ersten Potentialgeber (6a), welcher mit der ersten Elektrode (2a) elektrisch verbunden ist, einen zweiten Potentialgeber (6b), welcher mit der zweiten Elektrode (2b) elektrisch verbunden ist, und einer Auswerteeinheit, welche dazu ausgebildet ist, eine erste zeitliche Veränderung eines elektrischen Ladezustands (Ii) der ersten Elektrode (2a) bei einem ersten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der ersten Elektrode (2a) und dem Objekt (1) zu bestimmen, und eine zweite zeitliche Veränderung des elektrischen Ladezu¬ stands (I2) der zweiten Elektrode (2b) bei einem zweiten Wert für den elektrischen Fluss zwischen der zweiten Elektrode (2b) und dem Objekt (1) zu bestimmen, und das elektrische Po¬ tential (Unbekannt) des Objekts (1) zumindest aus der ersten (Ii) und zweiten zeitlichen Veränderung des elektrischen Ladezustands (I2) sowie aus einer Differenz des ersten Werts und des zweiten Werts für den elektrischen Fluss zu bestim- men.
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