WO2012139650A1 - Vorrichtung zur berührungslosen bestimmung eines elektrischen potentials eines objekts, stromzange sowie verfahren - Google Patents

Vorrichtung zur berührungslosen bestimmung eines elektrischen potentials eines objekts, stromzange sowie verfahren Download PDF

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Jens Makuth
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    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2611—Measuring inductance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/12—Measuring electrostatic fields or voltage-potential

Definitions

  • the invention relates to a device for contactless determination of an electrical potential of an object with an electrode.
  • the invention also relates to a current clamp with such a device.
  • the invention relates to a method for the contactless determination of an electrical potential of an object.
  • Non-contact potential measurement in particular high voltages, is of particular importance in the field of smart metering, smart grid and response demand strategies.
  • Capacitive voltage dividers can also be used for the determination of pure alternating voltages, in which case also the coupling capacitance between a reference electrode and the potential to be measured must be known. 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. In hand-held instruments of the test setup is an exact knowledge of the Geo ⁇ geometry and material quality (conductor insulation, air, gas, condensation, etc.) is necessary.
  • spacers For this purpose, 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 the potential determination 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 inventive device is used for contactless determination of an electrical potential of an object and comprises an electrode and a potential plate, which is electrically connected to the electrode and is thoroughlybil ⁇ det to change a voltage applied to the electrode reference potential to an end value that in the Final value electric field between the object and the electrode ver ⁇ disappears when the electrode is spaced from the object, and to determine from the final value, the electrical potential of the object.
  • Electrode and object required.
  • a complex determination of the distance or dielectric constant can entfal ⁇ len. Nevertheless, the type of measurement is very reliable and highly accurate.
  • For the application of the necessary voltages for compensation at the electrode only the lowest performance is necessary.
  • a technical implementation is easy to imple ⁇ menting.
  • a direct contact of the object to be measured is not required. Thus only minimal disturbances or interventions take place on the measurement object.
  • the device allows the determination of its potential even in a difficult to reach object.
  • the potential adjuster is designed to determine a temporal change of an electrical state of charge of the electrode and to change the reference potential depending on the determined La ⁇ de gleichs so that when he ⁇ reaching the end value, the temporal change of Ladezu ⁇ conditions disappears.
  • the temporal change of the electrical ⁇ 's state of charge can be determined by measuring a particular environmental charging current flowing between the electrode and a reference potential carrier. In the case of field freedom between the object and a static electrode is achieved to ⁇ stand and it no longer flow discharge currents. The So that measurement of the charge-reversal current allowing meaningful conclusions ⁇ connections to the electric field between the electrode and whether ⁇ ject and the compensation event can be easily identified. For example, if the recharging current zero still has the voltage applied to the electrode voltage are measured and are read and the electric potential of the Ob ⁇ jekts is intended.
  • the device comprises an amplifier having a first and a second input and an output, wherein the electrode with the first input and the Potenti ⁇ alsteller with the second input and the first input to the output is electrically connected.
  • the reference potential of the electrode is very easily adjustable.
  • the potential regulator preferably comprises a control device which is designed to measure the potential at the output and to adjust the reference potential at the second input as a function of the measured potential so that the value of the potential measured at the output is equal to its absolute value Value zero reduced.
  • the value of the potential at the output can be measured in particular as a voltage with respect to a ground.
  • the regulating device it is possible to track the respectively prevailing value of the reference potential so that the reference potential is increased to the potential value of the object. In this way, a reliable as well as very fast measuring method is created, since the final value is reached quickly.
  • the apparatus comprises a device which is adapted to an arrangement of a field stop to change so that at first times an electric field between the electrode and the object is Washingtonbil ⁇ det and second points in time, the electric field perio ⁇ disch by the field stop is shielded.
  • the poten ⁇ tialsteller preferably is adapted to determine a time kon ⁇ stantes electric potential of the object.
  • the field diaphragm can be designed in particular in the form of a shutter and / or impeller (Choppers). It's created a reliabil ⁇ sige way to determine DC potential of an object.
  • the change of the reference potential applied to the electrode then takes place much faster than corresponds to the change of the electric field shield by the field stop.
  • the measurement frequency is thus in particular ⁇ sondere significantly greater than the frequency of rotation of an impeller.
  • the field stop is then electrically connected to the second input. Since, in this case, the field stop has, in particular, the same reference potential as the electrode, a particularly good field clearance is created so that a meaningful background is available as a reference in order to correctly determine the electrical potential of the object.
  • the electrode is comprised of an electric field meter and / or a capacitive voltage divider.
  • a current clamp according to the invention is used for the contactless determination of an electrical current flowing through the object and comprises a device according to the invention as well as an evaluation unit, which is designed to see a value determined by the current clamp for the electric current and a value determined by the device Potentials to determine an electrical power.
  • a known from the prior art clamp for berüh ⁇ -contact current measurement is completed in this way the function ei ⁇ ner non-contact voltage measurement.
  • a particularly synergistic effect since using the provided evaluation from the contactless ⁇ be agreed value for the electric current and the contact-determined value for the electrical potential is now also the electric power in a contactless determined.
  • neither the power nor theistsmes ⁇ sung a precise knowledge of the coupling of the current probe to the DUT is required. It is created a device for completely non-contact power measurement.
  • a method according to the invention serves for the non-contact determination of an electrical potential of an object and comprises the following steps:
  • the electric potential of the object is time-variable and this ⁇ Lich by a first rate of change characterizable. Then preferably the registrationspo ⁇ tential is changed to the final value at a second rate which is greater than the first rate.
  • the electrical potential at the object also changes with time. Then it is advantageous if a regulation is provided by which the reference voltage at the electrode for compensation of the electric field is tracked fast enough and keeps pace with the alternating potential at the object. In this case, measurement errors are kept very low.
  • FIG. 1B shows a current clamp according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a device for
  • FIG 3 shows a corresponding to FIG 2 arrangement, but with a field stop for determining a DC voltage.
  • FIG 1A shows a clamp 10 for non-contact Strommes ⁇ solution at a current-carrying line 1.
  • the clamp 10 is for this purpose placed around the pipe 1, but does not touch it.
  • the "A" shown in a circle symbolizes that with the current clamp 10 according to the prior art exclusively ⁇ Lich a current measurement is possible.
  • a clamp 10 of the present invention for example one possibility maraf ⁇ fen, in addition to the current measurement, a non-contact measurement of voltage and thus to realize power according to an exemplary embodiment. This is symbolized by the letters “V” and "P” shown in circles.
  • a voltage measuring device 6 is provided in the current clamp 10, which will be explained in more detail below.
  • a measuring electrode 2 is positioned at a distance d from the line 1. It should be emphasized that the distance d is not known.
  • the measuring electrode 2 is connected via a first input 3a to an amplifier 4.
  • At a second Input 3b of the amplifier 4 is connected to a reference voltage U ref , which is provided by a potential plate 7.
  • the potential controller 7 is also electrically connected to an output 5 of the amplifier 4. Via an electrical resistor R, this output 5 is also electrically connected to the first input 3a.
  • the reference voltage U ref at the measuring electrode 2 is located on ⁇ .
  • the potential controller 7 also includes a controller 8 whose function will be discussed in more detail below.
  • I is a charge-reversal current which flows between the measuring electrode 2 and the amplifier 4.
  • the measuring principle consists in the fact that the controller 8 raises the reference potential U r ef so far that it corresponds U uribe known to the potential to be measured.
  • the controller 8 is a readjustment of the reference voltage U r ef to the output voltage performs. If the situation is reached that the output voltage U ou t strigwin ⁇ det, so assumes the value zero, then the Refe ⁇ rence voltage U r ef just the potential U uribe knows ⁇ The reference ⁇ voltage Uref can then be measured, the Measured value corresponds exactly to the potential value U uribe kannt.
  • the measuring process thus consists in a compensation of the voltage U uribe to be measured on the measuring electrode 2 (eg an electric field meter or egg ⁇ nes capacitive voltage divider).
  • the measuring electrode 2 eg an electric field meter or egg ⁇ nes capacitive voltage divider.
  • U uribe is known a change ⁇ voltage. Due to the effect of influenza, it is therefore Electrode 2 also to an AC Umladestrom I. The control by the controller 8 must then be significantly faster than the highest to be measured frequency components of the voltage to be measured Un b e k annt / nachen to track the voltage U ref correctly.
  • FIG. 3 shows a further embodiment, the arrangement of Figure 2 is implemented in the in ⁇ sentlichen We, however, supplemented by a movable field diaphragm formed. 9
  • the field diaphragm 9 is arranged between the measuring electrode 2 and the line 1, which is located at a time constant potential Un b e k .
  • the movable field stop is realized in the exporting ⁇ approximately example by the blades of an impeller of a so-called chopper ⁇ . These wings are connected to the second input 3b and are consequently also connected to the reference voltage U ref .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (6) zur berührungslosen Bestimmung eines elektrischen Potentials (Uunbekannt) eines Objekts (1), mit einer Elektrode (2), mit einem Potentialsteller (7), welcher mit der Elektrode (2) elektrisch verbunden ist und dazu ausgebildet ist, ein an der Elektrode (2) anliegendes Bezugspotential (Uref) so auf einen Endwert (Uunbekannt) zu verändern, dass bei dem Endwert (Uunbekannt) ein elektrisches Feld (E) zwischen dem Objekt (1) und der Elektrode (2) verschwindet, wenn die Elektrode (2) von dem Objekt (1) beabstandet (d) ist, und aus dem Endwert (Uunbekannt) das elektrische Potential (Uunbekannt) des Objekts (1) zu bestimmen.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur berührungslosen Bestimmung eines elektrischen Potentials eines Objekts, Stromzange sowie Verfahren
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Bestimmung eines elektrischen Potentials eines Objekts mit einer Elektrode. Die Erfindung betrifft auch eine Stromzange mit einer solchen Vorrichtung. Schließlich betrifft die Er- findung ein Verfahren zum berührungslosen Bestimmen eines elektrischen Potentials eines Objekts.
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 Spannun- gen, 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 (Die¬ lektrikum) zwischen Messelektrode und Objekt in der Messkapa- zität exakt bekannt sein. Um mit einem Elektrofeldmeter auch Gleichspannungen messen zu können, wird in der Regel zwischen der Messelektrode und dem Objekt ein Shutter (Feldblende) in Form eines Choppers (Flügelrad) eingesetzt. Für die Bestimmung reiner Wechselspannungen sind auch kapazitive Spannungsteiler nutzbar, wobei hier ebenfalls die Koppelkapazität 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 kali- briert. 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 Nach- teil, 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 Po- tentialmessung auch bei zunächst unbekannter Koppelkapazität möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, welche die Merkma¬ le des Patentanspruchs 1 aufweist, eine Stromzange mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8, sowie ein Verfahren, welches die Merkmale des Patentanspruchs 9 aufweist, gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur berührungslosen Bestimmung eines elektrischen Potentials eines Objekts und umfasst eine Elektrode sowie einen Potentialsteller, welcher mit der Elektrode elektrisch verbunden ist und dazu ausgebil¬ det ist, ein an der Elektrode anliegendes Bezugspotential so auf einen Endwert zu verändern, dass bei dem Endwert ein elektrisches Feld zwischen dem Objekt und der Elektrode ver¬ schwindet, wenn die Elektrode von dem Objekt beabstandet ist, und aus dem Endwert das elektrische Potential des Objekts zu bestimmen .
Unter Kenntnis des Endwerts bei Messung des Verschwindens des elektrischen Felds kann unmittelbar auf das zu bestimmende elektrische Potential geschlossen werden. Auf dieser Art ist ein Kompensationsverfahren geschaffen, bei dem die Elektrode insbesondere auf gerade so ein elektrisches Potential gehoben wird, dass der Raum zwischen der Elektrode und dem Objekt feldfrei wird. Die Kompensation kann durch Anhebung des Potentials an der Messelektrode auf die zu bestimmende Spannung des Objekts erfolgen. Für die Messung ist insbesondere keine Kenntnis des Abstands bzw. der Koppelkapazität zwischen
Elektrode und Objekt erforderlich. Eine aufwändige Bestimmung des Abstands oder einer Dielektrizitätskonstante kann entfal¬ len. Dennoch ist die Art der Messung sehr zuverlässig und hochgenau. Für das Aufbringen der zur Kompensation nötigen Spannungen an der Elektrode sind nur geringste Leistungen notwendig. Eine technische Realisierung ist einfach zu imple¬ mentieren. Eine direkte Kontaktierung des zu messenden Objekts ist nicht erforderlich. Damit erfolgen nur minimale Störungen bzw. Eingriffe an dem Messobjekt. Die Vorrichtung erlaubt auch bei einem nur schwer zugänglichen Objekt die Bestimmung von dessen Potential.
Vorzugsweise ist der Potentialsteller dazu ausgebildet, eine zeitliche Veränderung eines elektrischen Ladezustands der Elektrode zu bestimmen und in Abhängigkeit des bestimmten La¬ dezustands das Bezugspotential so zu verändern, dass bei Er¬ reichen des Endwerts die zeitliche Veränderung des Ladezu¬ stands verschwindet. Die zeitliche Veränderung des elektri¬ schen Ladezustands kann insbesondere durch Messung eines Um- ladestroms bestimmt werden, welcher zwischen der Elektrode und einem Bezugspotentialträger fließt. Im Falle der Feldfreiheit zwischen Objekt und Elektrode ist ein statischer Zu¬ stand erreicht und es fließen keine Umladeströme mehr. Die Messung des Umladestroms erlaubt damit aussagekräftige Rück¬ schlüsse auf das elektrische Feld zwischen Elektrode und Ob¬ jekt und der Kompensationsfall kann sehr leicht identifiziert werden. Wird beispielsweise der Umladestrom null, muss nur noch die an der Elektrode anliegende Spannung gemessen werden bzw. abgelesen werden und das elektrische Potential des Ob¬ jekts ist bestimmt.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Verstärker mit ei- nem ersten und einem zweiten Eingang sowie einem Ausgang, wobei die Elektrode mit dem ersten Eingang und der Potenti¬ alsteller mit dem zweiten Eingang und der erste Eingang mit dem Ausgang elektrisch verbunden ist. Auf diese Art ist eine zweckmäßige sowie einfach und unkompliziert zu realisierende Messanordnung geschaffen, durch welche das Bezugspotential der Elektrode sehr einfach einstellbar ist. Es sind besonders zuverlässige Messungen des elektrischen Potentials des Ob¬ jekts möglich. Vorzugsweise umfasst der Potentialsteller eine Regelvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, das Potential am Ausgang zu messen und in Abhängigkeit des gemessenen Potentials das Bezugspotential am zweiten Eingang so einzustellen, dass sich der Wert des am Ausgang gemessenen Potentials bezüglich sei- nes absoluten Betrags bis auf den Wert null verringert. Der
Wert des Potentials am Ausgang kann insbesondere als Spannung gegenüber einer Erdung gemessen werden. Durch die Regelvorrichtung ist es möglich, den jeweils herrschenden Wert des Bezugspotentials so nachzuführen, dass das Bezugspotential bis auf den Potentialwert des Objekts erhöht wird. Auf diese Art ist eine zuverlässige als auch sehr schnelle Messmethode geschaffen, da der Endwert rasch erreicht wird.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung, welche dazu ausgebildet ist, eine Anordnung einer Feldblende perio¬ disch so zu verändern, dass zu ersten Zeitpunkten ein elektrisches Feld zwischen der Elektrode und dem Objekt ausgebil¬ det ist und zu zweiten Zeitpunkten das elektrische Feld durch die Feldblende abgeschirmt ist. Auf diese Art ist der Poten¬ tialsteller vorzugsweise dazu ausgebildet, ein zeitlich kon¬ stantes elektrisches Potential des Objekts zu bestimmen. Die Feldblende kann insbesondere in Form eines Shutters und/oder Flügelrads (Choppers) ausgebildet sein. Es ist eine zuverläs¬ sige Möglichkeit geschaffen, DC-Potentiale eines Objekts zu bestimmen. Vorzugsweise erfolgt dann die Veränderung des an der Elektrode anliegenden Bezugspotentials deutlich schneller als es der Veränderung der elektrischen Feldabschirmung durch die Feldblende entspricht. Die Messfrequenz ist also insbe¬ sondere deutlich größer als die Rotationsfrequenz eines Flügelrads .
Vorzugsweise ist dann die Feldblende mit dem zweiten Eingang elektrisch verbunden. Da in diesem Fall die Feldblende insbesondere dasselbe Bezugspotential wie die Elektrode aufweist, ist eine besonders gute Feldfreiheit geschaffen, sodass ein aussagekräftiger Untergrund als Referenz bereitsteht, um das elektrische Potential des Objekts korrekt zu bestimmen.
Vorzugsweise ist die Elektrode von einem Elektrofeldmeter und/oder einem kapazitiven Spannungsteiler umfasst.
Eine erfindungsgemäße Stromzange dient zur berührungslosen Bestimmung eines durch das Objekt fließenden elektrischen Stroms und umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung sowie eine Auswerteeinheit, welche dazu ausgebildet ist, aus einem mit der Stromzange bestimmten Wert für den elektrischen Strom und einem mit der Vorrichtung bestimmten Wert des elektri- sehen Potentials eine elektrische Leistung zu ermitteln. Eine aus dem Stand der Technik bekannte Stromzange für die berüh¬ rungslose Strommessung wird auf diese Art um die Funktion ei¬ ner berührungslosen Spannungsmessung ergänzt. Auf diese Weise ergibt sich ein besonderer synergetischer Effekt, da mithilfe der vorgesehenen Auswerteeinheit aus dem berührungslos be¬ stimmten Wert für den elektrischen Strom und dem berührungslos bestimmten Wert für das elektrische Potential nunmehr auch die elektrische Leistung berührungslos bestimmbar ist. Hierbei ist weder für die Strom- noch für die Spannungsmes¬ sung eine genaue Kenntnis der Ankopplung der Stromzange an das Messobjekt erforderlich. Es ist eine Vorrichtung zur komplett berührungslosen Leistungsmessung geschaffen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum berührungslosen Bestimmen eines elektrischen Potentials eines Objekts und um- fasst die folgenden Schritte:
Bereitstellen einer Elektrode, welche von dem Objekt beabstandet ist;
Verbinden der Elektrode mit einem Bezugspotential;
Verändern der Bezugspotentials auf einen Endwert, bei dem ein elektrisches Feld zwischen dem Objekt und der Elek¬ trode verschwindet;
- Bestimmen des elektrischen Potentials des Objekts durch Messen des Endwerts.
Vorzugsweise ist das elektrische Potential des Objekts zeit¬ lich veränderlich und hierbei durch eine erste Veränderungs- rate charakterisierbar. Dann wird vorzugsweise das Bezugspo¬ tential auf den Endwert mit einer zweiten Rate verändert, welche größer als die erste Rate ist. Im Falle eines Objekts, welches von einem Wechselstrom durchflössen wird, ändert sich auch das elektrische Potential an dem Objekt mit der Zeit. Dann ist es vorteilhaft, wenn eine Regelung vorgesehen ist, durch welche die Bezugsspannung an der Elektrode zur Kompensation des elektrischen Feldes schnell genug nachgeführt wird und mit dem Wechselpotential an dem Objekt Schritt hält. In diesem Fall werden Messfehler besonders gering gehalten.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung darge¬ stellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Stromzange sowie das erfindungsgemäße Verfahren.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Es zeigen: FIG 1A eine Stromzange gemäß dem Stand der Technik;
FIG 1B eine Stromzange gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
FIG 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur
Bestimmung eines unbekannten Potentials mittels Kompensation eines elektrischen Felds; und
FIG 3 eine zu FIG 2 korrespondierende Anordnung, jedoch mit einer Feldblende zur Bestimmung einer Gleichspannung .
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
FIG 1A zeigt eine Stromzange 10 zur berührungslosen Strommes¬ sung an einer stromdurchflossenen Leitung 1. Die Stromzange 10 wird hierzu um die Leitung 1 gelegt, berührt diese jedoch nicht. Das in einem Kreis dargestellte „A" symbolisiert, dass mit der Stromzange 10 gemäß dem Stand der Technik ausschlie߬ lich eine Strommessung möglich ist.
Dagegen ist durch eine Stromzange 10 gemäß einem Ausführungs- beispiel der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit geschaf¬ fen, neben der Strommessung auch eine berührungslose Messung von Spannung und damit Leistung zu realisieren. Dies ist durch die in Kreisen dargestellten Buchstaben „V" und „P" symbolisiert. Hierfür ist in der Stromzange 10 eine Span- nungsmessvorrichtung 6 vorgesehen, die im Folgenden näher erläutert wird.
FIG 2 zeigt eine Leitung 1, welche ein Objekt darstellt, des¬ sen elektrisches Potential Uuribekannt bestimmt werden soll.
Hierzu wird eine Messelektrode 2 in einem Abstand d von der Leitung 1 positioniert. Es sei betont, dass der Abstand d nicht bekannt ist. Die Messelektrode 2 ist über einen ersten Eingang 3a mit einem Verstärker 4 verbunden. An einem zweiten Eingang 3b des Verstärkers 4 liegt eine Referenzspannung Uref an, welche von einem Potentialsteller 7 bereitgestellt wird. Der Potentialsteller 7 ist zudem mit einem Ausgang 5 des Verstärkers 4 elektrisch verbunden. Über einen elektrischen Wi- derstand R ist dieser Ausgang 5 zudem mit dem ersten Eingang 3a elektrisch verbunden. Auf diese Art ist sichergestellt, dass die Referenzspannung Uref auch an der Messelektrode 2 an¬ liegt. Schließlich sind Mittel bereitgestellt, mit denen eine Ausgangsspannung Uout bestimmbar ist, welche zwischen dem Aus- gang 5 und der Erde anliegt. Der Potentialsteller 7 umfasst schließlich auch noch einen Regler 8, auf dessen Funktion im Folgenden näher eingegangen werden soll.
In einfachster Näherung kann die durch die Leitung 1 und die Messelektrode 2 ausgebildete Kondensatoranordnung als Plat¬ tenkondensator mit einem zwischen den Platten herrschenden elektrischen Feld E beschrieben werden. Die Kapazität dieses Plattenkondensators betrage C; die Fläche der Messelektrode 2 betrage A; und die Dielektrizitätskonstante des Mediums zwi- sehen der Leitung 1 und der Messelektrode 2 betrage ε. AU sei der Potentialunterschied zwischen der Messelektrode 2 und der Leitung 1. Dann gelten die folgenden physikalischen Zusammenhänge : C = -£ ^
d
AU UUnbekannt Uref
„ MJ
d d(AU)
I = C
dt I ist hierbei ein Umladestrom, welcher zwischen der Messelektrode 2 und dem Verstärker 4 fließt. Das Messprinzip besteht nun darin, dass der Regler 8 das Bezugspotential Uref so weit anhebt, dass es dem zu messenden Potential Uuribekannt entspricht. Hierfür kann vorgesehen sein, dass der Regler 8 eine Nachregelung von der Referenzspannung Uref auf die Ausgangsspannung
Figure imgf000011_0001
vornimmt. Ist nämlich die Situation erreicht, dass die Ausgangsspannung Uout verschwin¬ det, also den Wert Null annimmt, dann entspricht die Refe¬ renzspannung Uref gerade dem Potential Uuribekannt · Die Referenz¬ spannung Uref kann dann gemessen werden, wobei der Messwert genau dem Potentialwert Uuribekannt entspricht. Aber auch ohne Messung ist gegebenenfalls bekannt, welche Referenzspannung Uref an dem Potentialsteller 7 eingestellt wurde, sodass sich aus dieser Kenntnis auf das Potential Uuribekannt schließen lässt . Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass im Regler 8 der Umladestrom I erfasst wird und die Referenzspannung Uref so lange nachgeregelt wird, bis der Umladestrom I verschwin¬ det, also den Wert Null erreicht. Dieser Messidee liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei iden¬ tischen Spannungen an Leitung 1 und Messelektrode 2 (also Uun-
Figure imgf000011_0002
das elektrische Feld E zwischen Messelektrode 2 und Leitung 1 gerade verschwindet. Der Messvorgang besteht damit in einer Kompensation der zu messenden Spannung Uuribekannt an der Messelektrode 2 (z.B. eines Elektrofeldmeters bzw. ei¬ nes kapazitiven Spannungsteilers) . Damit ist eine Spannungs¬ messung, also Messung von Uuribekannt , auch ohne exakte Kenntnis der räumlichen Anordnung der Messelektrode 2 möglich. Damit werden temporäre und nachträgliche Installationen ohne Kon- taktierung der spannungsführenden Leitung 1 möglich.
Im Ausführungsbeispiel der FIG 2 ist Uuribekannt eine Wechsel¬ spannung. Durch Influenzwirkung kommt es daher in der Mess- elektrode 2 ebenfalls zu einem AC-Umladestrom I. Die Regelung durch den Regler 8 muss dann deutlich schneller sein als die höchsten zu messenden Frequenzanteile der zu messenden Spannung Unbekannt / um die Spannung Uref korrekt nachführen zu kön- nen .
FIG 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem im We¬ sentlichen die Anordnung der FIG 2 realisiert ist, jedoch um eine beweglich ausgebildete Feldblende 9 ergänzt. Die Feld- blende 9 ist zwischen der Messelektrode 2 und der Leitung 1 angeordnet, welche sich auf einem zeitkonstanten Potential Unbekannt befindet. Die bewegliche Feldblende ist im Ausfüh¬ rungsbeispiel durch die Flügel eines Flügelrads eines soge¬ nannten Choppers realisiert. Diese Flügel sind mit dem zwei- ten Eingang 3b verbunden und werden folglich ebenfalls auf die Referenzspannung Uref gelegt. Befindet sich ein Flügel zwischen Messelektrode 2 und Leitung 1, ist unabhängig vom Wert des Potentials Uuribekannt das elektrische Feld E gegenüber der Messelektrode abgeschirmt und damit ein Messuntergrund bzw. eine Referenzsituation für den Messvorgang geschaffen. Ist dagegen das Flügelrad so verstellt, dass ein Spalt zwi¬ schen Messelektrode 2 und Leitung 1 freigegeben ist, so ist das elektrische Feld E nicht mehr abgeschirmt und es kann ei¬ ne Messung wie in Zusammenhang mit FIG 2 beschrieben erfol- gen. Auf diese Art ist es möglich, das beschriebene Verfahren auch für die Messung von Gleichspannungen Uuribekannt einzuset¬ zen. Die Regelfrequenz des Reglers 8 sollte dann höher als die Frequenz des Choppers bzw. der Feldblende 9 sein. Wie durch die Messspannung Umess angedeutet, wird im Ausführungs- beispiel der FIG 3 die jeweils eingestellte Referenzspannung Uref explizit gemessen: Umes s=Uref . Bezugs zeichenliste
1 Leitung
2 Messelektrode
3a, 3b Eingang
4 Verstärker
5 Ausgang
6 Spannungsmessvorrichtung 7 Potentialsteller
8 Regler
9 Feldblende
10 Stromzange
Unbekannt Potential
d Abstand
I Umladestrom
R Widerstand
Uout Ausgangsspannung
Ume s s Messspannung
Uref Referenzspannung
E elektrisches Feld
A Fläche
ε Dielektrizitätskonstante
AU Potentialunterschied C Kapazität
P elektrische Leistung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (6) zur berührungslosen Bestimmung eines elektrischen Potentials ( Uuribekannt ) eines Objekts (1), mit ei- ner Elektrode (2),
gekennzeichnet durch
einen Potentialsteller (7), welcher mit der Elektrode (2) elektrisch verbunden ist und dazu ausgebildet ist, ein an der Elektrode (2) anliegendes Bezugspotential ( Uref ) so auf einen Endwert ( Uuribekannt ) zu verändern, dass bei dem Endwert ( Uunbe- kannt ) ein elektrisches Feld (E) zwischen dem Objekt (1) und der Elektrode (2) verschwindet, wenn die Elektrode (2) von dem Objekt (1) beabstandet (d) ist, und aus dem Endwert ( Unbekannt ) das elektrische Potential ( Uuribekannt ) des Objekts (1) zu bestimmen.
2. Vorrichtung (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Potentialsteller (7) dazu ausgebildet ist, eine zeitliche Veränderung eines elektrischen Ladezustands (I) der Elektrode (2) zu bestimmen und in Abhängigkeit des bestimmten Ladezustands (I) das Bezugspotential (Uref ) so zu verändern, dass bei Erreichen des Endwerts ( Uuribekannt ) die zeitliche Ver¬ änderung des Ladezustands (I) verschwindet.
3. Vorrichtung (6) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Verstärker (4) mit einem ersten (3a) und einem zweiten Eingang (3b) sowie einem Ausgang (5) , wobei die
Elektrode (2) mit dem ersten Eingang (3a) und der Potenti¬ alsteller (7) mit dem zweiten Eingang (3b) und der erste Ein- gang (3a) mit dem Ausgang (5) elektrisch verbunden ist.
4. Vorrichtung (6) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Potentialsteller (7) eine Regelvorrichtung (8) um- fasst, welche dazu ausgebildet ist, das Potential ( Uout ) am Ausgang (5) zu messen und in Abhängigkeit des gemessenen Po¬ tentials ( Uout ) das Bezugspotential ( Uref ) am zweiten Eingang (3b) so einzustellen, dass sich der Wert des am Ausgang ge- messenen Potentials ( Uout ) bezüglich seines Absolutbetrags ( I U0ut I ) bis auf den Wert Null verringert.
5. Vorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, welche dazu ausgebil¬ det ist, eine Anordnung einer Feldblende (9) periodisch so zu verändern, dass zu ersten Zeitpunkten ein elektrisches Feld (E) zwischen der Elektrode (2) und dem Objekt (1) ausgebildet ist und zu zweiten Zeitpunkten das elektrische Feld (E) durch die Feldblende abgeschirmt ist, und dadurch, dass der Poten¬ tialsteller (7) dazu ausgebildet ist, ein zeitlich konstantes elektrisches Potential ( Uuribekannt ) des Objekts (1) zu bestim¬ men .
6. Vorrichtung (6) nach einem der Ansprüche 3 oder 4 und nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldblende (9) mit dem zweiten Eingang (3b) elektrisch verbunden ist.
7. Vorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (2) von einem
Elektrofeldmeter und/oder einem kapazitiven Spannungsteiler umfasst ist.
8. Stromzange (10) zur berührungslosen Bestimmung eines durch das Objekt (1) fließenden elektrischen Stroms, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Auswerteeinheit, welche dazu ausgebildet ist, aus einem mit der Stromzange (10) bestimmten Wert für den elektrischen Strom und einem mit der Vorrichtung (6) be- stimmten Wert des elektrischen Potentials ( Uuribekannt ) eine elektrische Leistung (P) zu ermitteln.
9. Verfahren zum berührungslosen Bestimmen eines elektrischen Potentials ( Uuribekannt ) eines Objekts (1) mit den Schritten: - Bereitstellen einer Elektrode (2), welche von dem Objekt (1) beabstandet ist;
- Verbinden der Elektrode (2) mit einem Bezugspotential
( Uref ) ; - Verändern des Bezugspotentials (Uref) auf einen Endwert (Unbekannt) , bei dem ein elektrisches Feld (E) zwischen dem Objekt (1) und der Elektrode (2) verschwindet;
- Bestimmen des elektrischen Potentials (Uuribekannt) des Objekts (1) durch Messen des Endwerts (Uuribekannt) ·
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Potential (Uuribekannt) des Objekts (1) zeitlich veränderlich und hierbei durch eine erste Veränderungsrate charakterisierbar ist, und das Bezugspotential (Uref) auf den Endwert (Unbekannt) mit einer zweiten Rate verändert wird, wel¬ che größer als die erste Rate ist.
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