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用于無接觸確定對象的電位的裝置、測電鉗以及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于無接觸確定對象(1)的電位(U未知)的裝置(6)，包括電極(2)，具有電位調(diào)節(jié)器(7)，所述電位調(diào)節(jié)器與電極(2)電連接并且被構(gòu)造用于將施加在電極(2)上的參考電位(U參考)改變?yōu)榻K值(U未知)，從而當電極(2)與對象(1)有距離(d)時對象(1)與電極(2)之間的電場(E)在終值(U未知)時消失，并且根據(jù)終值(U未知)確定對象(1)的電位(U未知)。
【專利說明】用于無接觸確定對象的電位的裝置、測電鉗以及方法
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種具有電極的無接觸確定對象電位的裝置。本發(fā)明也涉及具有這種裝置的測電鉗。最后本發(fā)明還涉及一種用于無接觸地確定對象電位的方法。
[0002]無接觸地測量流過對象的電流是已知的。可通過感應耦合、霍爾效應或者GMR效應(巨磁電阻效應)進行測量。但是為了能夠無接觸測量電功率，除了無接觸測量電流之外也需要一種無接觸測量電位的方法。無接觸電位測量(尤其是高電壓的電位測量)尤其是在智能抄表、智能電網(wǎng)和響應-需求策略領(lǐng)域中有特別重要的意義。
[0003]所謂的電場測量儀提供對此的一種可能性。電場測量儀利用感應效應，以便能通過所求得的電場強度來推斷待確定的電壓。但是為此必須精確已知應確定其電位的對象與電場測量儀的測量電極之間的距離以及在測量電容中、測量電極與對象之間的材料(電介質(zhì))。為了也能使用電場測量儀測量直流電壓，通常在測量電極與對象之間采用斬波器(葉輪)形式的遮蔽器(場遮蔽片)。
[0004]也可以用電容分壓器來確定純交流電壓，這里同樣必須已知參考電極與待測電位之間的耦合電容。
[0005]這兩種方法或裝置(電場測量儀和電容分壓器)均以準確知道與待測電壓的耦合為前提條件，尤其要知道測量電極與測量對象之間的距離。就此而言，這些已知的方法不適合于臨時的測量過程或者事后的測量安裝。電場測量儀和電容分壓器為了精確測量需要固定安裝并且在安裝環(huán)境中加以校準。在手持式測量設(shè)備的情況下，需要精確知道測量結(jié)構(gòu)的幾何特性和材料特性(導線絕緣，空氣，燃氣，水蒸汽等等)。為此若為市面上常見的電場測量儀例如使用專門的墊片。但是墊片存在以下缺點，即墊片尤其不直接放置在導電材料上以確定電絕緣導線的電位，因此只能以不夠充分的精度調(diào)整距離。此外還無法考慮絕緣材料的類型。如果已知的無接觸電位測量方法的精度不夠充分，則通常必須進行接觸測量。
[0006]本發(fā)明的任務在于提供即使在耦合電容首先未知的情況下也能用來進行無接觸電位測量的一種方法以及一種裝置。
[0007]通過具有權(quán)利要求1所述特征的一種裝置、具有權(quán)利要求8所述特征的一種測電鉗以及具有權(quán)利要求9所述特征的一種方法，來解決這一任務。
[0008]本發(fā)明所述的裝置用于無接觸地確定對象電位，并且包括電極以及電位調(diào)節(jié)器，所述電位調(diào)節(jié)器與電極電連接并被構(gòu)造為將施加在電極上的參考電位改變?yōu)榻K值，使得當電極與對象相隔一定距離時使得在終值時對象與電極之間的電場消失，并且根據(jù)終值確定對象的電位。
[0009]在終值已知的條件下測出電場消失，可以直接推斷待確定的電位。以這種方式實現(xiàn)了一種補償方法，在該補償方法中尤其將電極恰好提高到這樣的電位，使得電極與對象之間的空間變得沒有電場。將測量電極上的電位提高到對象的待確定電壓，就能實現(xiàn)該補償。對于該測量尤其不需要知道電極與對象之間的距離或耦合電容。可以不必費力確定該距離或者介電常數(shù)。但這種測量類型仍然非常可靠并且精度很高。為了在電極上施加補償所需要的電壓，僅需極小的功率。技術(shù)實現(xiàn)可簡單實施。不需要直接接觸待測對象。因此對測量對象的干擾或干預僅最小地進行。即使對于難以接近的對象，該裝置也可確定其電位。
[0010]電位調(diào)節(jié)器優(yōu)選被構(gòu)造為確定電極充電狀態(tài)隨時間的改變，并且根據(jù)所確定的充電狀態(tài)改變參考電位，使得充電狀態(tài)隨時間的改變在達到終值時消失。尤其可以通過測量在電極與參考電位載體之間流動的再充電電流來確定充電狀態(tài)隨時間的改變。如果對象與電極之間沒有電場，則已達到了靜止狀態(tài)，并且不再有再充電電流流動。因此測量再充電電流即可有說服力地推斷出電極與對象之間的電場，并且可以很容易識別補償情況。例如當再充電電流變?yōu)榱銜r，只需測量或者讀取施加在電極上的電壓，并且確定對象的電位。
[0011]所述裝置優(yōu)選包括具有第一和第二輸入端以及輸出端的放大器，其中電極與第一輸入端電連接，電位調(diào)節(jié)器與第二輸入端電連接，并且第一輸入端與輸出端電連接。以這種方式實現(xiàn)了一種適宜的以及可簡單和不復雜實現(xiàn)的測量裝置，可以通過該測量裝置非常簡單地調(diào)節(jié)電極的參考電位。可以特別可靠地測量對象的電位。
[0012]電位調(diào)節(jié)器優(yōu)選包括調(diào)節(jié)裝置，該調(diào)節(jié)裝置被構(gòu)造為測量輸出端上的電位，并且根據(jù)測量的電位調(diào)節(jié)第二輸入端上的參考電位，使得在輸出端上測量的電位值在其絕對大小方面一直減小到零值。尤其可以測量輸出端上的電位值作為相對于地的電壓。可以通過調(diào)節(jié)裝置跟蹤參考電位的各個主導值，使得參考電位一直提高到對象的電位值。以這種方式實現(xiàn)了一種可靠而且也非常迅速的測量方法，因為迅速達到終值。
[0013]所述裝置優(yōu)選包括被構(gòu)造為周期性改變場遮蔽片的布置使得在第一時刻在電極與對象之間形成電場并且在第二時刻通過場遮蔽片屏蔽電場的裝置。以這種方式使得電位調(diào)節(jié)器優(yōu)選被構(gòu)造為確定隨時間恒定的對象電位。尤其可以將場遮蔽片構(gòu)造為遮蔽器和/或者葉輪(斬波器)的形式。實現(xiàn)了一種確定對象的直流電位的可靠方法。然后優(yōu)選明顯快于通過場遮蔽片改變電場屏蔽地改變施加在電極上的參考電位。因此測量頻率尤其明顯大于葉輪的旋轉(zhuǎn)頻率。
[0014]然后場遮蔽片優(yōu)選與第二輸入端電連接。由于在這種情況下場遮蔽片尤其具有與電極相同的參考電位，因此實現(xiàn)了特別好的無電場性，從而提供有說服力的背景作為參考以正確確定對象電位。
[0015]電極優(yōu)選被電場測量儀和/或者電容分壓器所包括。
[0016]本發(fā)明所述的測電鉗可用于無接觸確定流過對象的電流，并且包括本發(fā)明所述的裝置以及分析單元，所述分析單元被構(gòu)造為根據(jù)利用測電鉗確定的電流值和利用所述裝置確定的電位值求得電功率。以這種方式給由現(xiàn)有技術(shù)已知的用于無接觸測量電流的測電鉗增添無接觸測量電壓的功能。以這種方式能得到特殊的協(xié)同效應，因為現(xiàn)在也可以根據(jù)無接觸確定的電流值和無接觸確定的電位值，利用所設(shè)置的分析單元無接觸確定電功率。
[0017]在此情況下無論是測量電流還是測量電壓，均不需要準確知道測電鉗與測量對象的耦合。實現(xiàn)了一種用于完全無接觸測量功率的裝置。
[0018]本發(fā)明所述的方法用于無接觸確定對象的電位，并且包括以下步驟:
[0019]-提供與對象相隔一定距離的電極；
[0020]-將電極與參考電位相連；
[0021]-使參考電位改變到終值，對象與電極之間的電場在終值時消失；
[0022]-通過測量終值確定對象的電位。
[0023]對象的電位優(yōu)選可隨時間改變，并且在此情況下可以通過第一改變速率表征。然后優(yōu)選使得參考電位以大于第一速率的第二速率被改變?yōu)榻K值。如果是交流電流流過的對象，則對象上的電位也會隨時間改變。然后有利地設(shè)置調(diào)節(jié)裝置，通過該調(diào)節(jié)裝置足夠快地跟蹤電極上的參考電壓來補償電場，并且使該參考電壓與對象上的交變電位保持同步。這種情況下可使得測量誤差保持得特別小。
[0024]參照本發(fā)明的裝置示出的優(yōu)選實施方式及其優(yōu)點對應地適用于本發(fā)明的測電鉗以及本發(fā)明的方法。
[0025]以下將根據(jù)實施例對本發(fā)明進行詳細解釋。
[0026]圖1A示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的測電鉗；
[0027]圖1B示出根據(jù)本發(fā)明的一種實施例的測電鉗；
[0028]圖2示出利用補償電場確定未知電位的裝置的示意圖；以及
[0029]圖3示出與圖2對應的裝置，但是具有用來確定直流電壓的場遮蔽片。
[0030]在這些圖中，相同或者功能相同的元件均具有相同的附圖標記。
[0031]圖1A所示為在電流流過的導線I上進行無接觸電流測量的測電鉗10。為此測電鉗10被設(shè)置在導線I周圍，但是并不接觸該導線。圓圈中示出的“A”表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的測電鉗10只能測量電流。
[0032]而根據(jù)本發(fā)明的一種實施例的測電鉗10除了能夠測量電流之外，也能夠?qū)崿F(xiàn)電壓并由此實現(xiàn)功率的無接觸測量。這通過圓圈中示出的字母“V”和“P”予以表示。為此在測電鉗10中設(shè)置電壓測量裝置6，以下將對其進行詳細解釋。
[0033]圖2所示的導線I表示應確定其電位11#^!的對象。為此將測量電極2定位在與導線I距離為d處。應強調(diào)的 是距離d未知。測量電極2通過第一輸入端3a與放大器4相連。在放大器4的第二輸入端3b上存在由電位調(diào)節(jié)器7所提供的參考電壓U#it。電位調(diào)節(jié)器7還與放大器4的輸出端5電連接。此外還通過電阻R將該輸出端5與第一輸入端3a電連接。以這種方式保證測量電極2上也施加參考電壓U#it。最后還提供可以用來確定施加在輸出端5與地之間的輸出電壓的構(gòu)件。最后電位調(diào)節(jié)器7也包括調(diào)節(jié)器8，以下還將詳細討論其功能。
[0034]在最簡單的近似下，可以將通過導線I和測量電極2構(gòu)造的電容器裝置描述為具有在板之間占主導的電場E的平板電容器。該平板電容器的電容為C ;測量電極2的面積為A ;導線I與測量電極2之間的介質(zhì)的介電常數(shù)為ε。AU是測量電極2與導線I之間的電位差。于是適用以下物理關(guān)系:
【權(quán)利要求】
1.用于無接觸確定對象(I)的電位(υ_ρ)的裝置(6)，該裝置包括電極(2)，其特征在于電位調(diào)節(jié)器(7)，所述電位調(diào)節(jié)器與電極(2)電連接并被構(gòu)造用于，將施加在電極(2)上的參考電位改變?yōu)榻K值(U_ρ)，從而當電極⑵與對象⑴有距離(d)時對象(I)與電極⑵之間的電場(E)在終值(U_)時消失，以及根據(jù)該終值(U_)確定對象⑴的電位(u_)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置(6)，其特征在于，電位調(diào)節(jié)器(7)被構(gòu)造為，確定電極(2)的充電狀態(tài)(I)隨時間的改變，并且根據(jù)所確定的充電狀態(tài)(I)改變參考電位(U#it)，使得在達到終值(υ_ρ)時充電狀態(tài)(I)隨時間的改變消失。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置(6)，其特征在于具有第一輸入端(3a)和第二輸入端(3b)以及輸出端(5)的放大器(4)，其中電極⑵與第一輸入端(3a)電連接，電位調(diào)節(jié)器(X)與第二輸入端(3b)電連接,并且第一輸入端(3a)與輸出端(5)電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求(3)所述的裝置(6)，其特征在于，電位調(diào)節(jié)器(7)包括調(diào)節(jié)裝置(8)，所述調(diào)節(jié)裝置被構(gòu)造用于測量輸出端(5)上的電位并且根據(jù)所測量的電位(U.)調(diào)整第二輸入端(3b)上的參考電位(U_)，使得輸出端上測量的電位(Ufia)值在其絕對大小(Iuf^ I)方面一直減小到零值。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置(6)，其特征在于被構(gòu)造為周期性改變場遮蔽片(9)的布置以使得在第一時刻在電極(2)與對象(I)之間形成電場(E)并在第二時刻通過場遮蔽片屏蔽電場(E)的裝置，并且其特征在于，電位調(diào)節(jié)器(7)被構(gòu)造用來確定對象(I)隨時間恒定的電位(U未知)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4中任一項以及權(quán)利要求5所述的裝置(6)，其特征在于，場遮蔽片(9)與第二輸入端(3b)電連接。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置(6)，其特征在于，電極(2)被電場測量儀和/或電容分壓器包括。
8.用于無接觸確定流過對象(I)的電流的測電鉗(10)，其特征在于根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置出)以及分析單元，所述分析單元被構(gòu)造為根據(jù)利用測電鉗(10)確定的電流值和利用該裝置(6)確定的電位(υ_ρ)值求得電功率(P)。
9.用于無接觸確定對象(I)的電位(υ_ρ)的方法，包括以下步驟: 提供與對象⑴有距離的電極⑵； 將電極⑵與參考電位相連； 將參考電位改變?yōu)榻K值(U_)，對象⑴與電極⑵之間的電場(E)在該終值時消失； 通過測量所述終值(υ_ρ)確定對象⑴的電位(u_)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，對象⑴的電位(U_)能隨時間變化并且在此情況下能通過第一改變速率表征，并且使參考電位以大于第一速率的第二速率改變?yōu)榻K值(U_?)。
【文檔編號】G01R19/155GK103582821SQ201180070121
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2011年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月14日
【發(fā)明者】J·席默爾, J·馬庫特, D·沙伊布納 申請人:西門子公司