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Messung von Strömen bekannt geworden, elektrische Leiter mit einer Zange berührungslos abzugreifen, wobei die Zange den Leiter möglichst vollständig umgeben soll. Wenn an einem ringförmigen magnetsschen Leiter, welcher den stromdurchflossenen Leiter weitestgehend vollständig umgibt, ein Spulensystem angeordnet ist, wird in einem derartigen Spulensystem eine dem Strom im elektrischen Leiter proportionale Grösse induziert und auf Grund der bekannten Proportionalität des Induktionsstromes zur die Induktion bewirkenden Messgrösse, ist auf diese Weise eine berührungslose Bestimmung von Stromstärken möglich.
Für die kontaktlos Bestimmung von Gleichströmen mit Hilfe solcher Stromzangen wird in dem bekannten Verfahren die Strommessung auf eine Magnetfeldmessung mit Hallsonde oder Magnetisierungskenntiniensonden zurückgeführt. Diese Sonden weisen jedoch Nachteile hinsichtlich Offset. Rauschen und Temperaturfehler auf. Weiters ist es nachteilig, dass dieses Verfahren nur dann durchführbar ist, wenn der Leiter, in welchem der zu bestimmende Strom fliesst, zur Gänze umgriffen werden kann.
Es Ist bekannt, dass elektromagnetische Wechselfelder in Spulen Signale induzieren, welche sich in der Folge zu verschiedenen Anzeigen eignen. Eine quantitative Auswertung zur Bestimmung der Messgrösse selbst ist aber In der Regel mangels geeigneter Referenzfelder nicht ohne weiteres möglich.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit weichem die berührungslose bzw. kontaktlos Bestimmung von Gleich-oder Wechse ! spannungen,-strömen, Leistun- gen oder Widerständen selbst dann ermöglicht wird, wenn der elektrische Leiter, an weichem derartige kontaktlos Messungen vorgenommen werden sollen, nicht zur Gänze umgriffen werden kann. Weiters zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem Gleichspannungen oder Gleichströme dann exakt erfasst werden können, wenn der elektrische Leiter, an welchem die Messung vorgenommen werden soll, zur Gänze umgriffen werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemässe Verfahren im wesentlichen darin, dass wenigstens zwei Spulensysteme in das elektromagnetische Feld des Leiters in verschiedenem Abstand von diesem positioniert werden, wobei für die Bestimmung von Gleichspannungen und/oder-strömen ein elektrisch leitender Bauteil in der Nähe der Spulen in penodische mechanische Schwingungen versetzt wird, dass die Signale der Spulen, gegebenenfalls nach einer Korrektur ihrer Phasen, einer Subtrahierschaltung zur Bestimmung einer Spannungsdifferenz bzw.
eines Spaunungsgradienten zugeführt werden und dass in einer Auswerteschaltung der Quotient aus dem Quadrat eines Spannungsmesswertes und des Spannungsgradienten gebildet und einem Ausgang zugeführt wird und dass die Messwerte von zwei um ein Vielfaches der halben Wellenlänge der periodischen Schwingung des elektrisch leitenden Bauteiles zueinander versetzte Spulensysteme verglichen werden. Dadurch, dass zwei in Abstand voneinander angeordnete Spulensysteme zum Einsatz gelangen, wird zunächst sichergestellt, dass in den beiden voneinander verschiedenen Spulensystemen ihrem Abstand entsprechend unterschiedliche Spannungen induziert werden.
Mit Rücksicht auf den bekannten Abstand zwischen den beiden Spulensystemen bzw. mit Rücksicht auf den Umstand, dass die Verschiedenheit der Messgrössen nunmehr eine Kompensation ermöglicht, gelingt es, auf die tatsächliche zu messende Messgrö- sse rückzurechnen bzw. rückzuschliessen. Im Falle der Bestimmung von Gleichspannungen und/oder Gleichströmen, ist es hier allerdings erforderlich, für eine entsprechende Induktion Sorge zu tragen und dies gelingt dadurch, dass erfindungsgemäss die Spulen und/oder ein elektrisch leitender Bauteil in der Nähe der Spulen in periodische mechanische Schwingungen versetzt werden.
Die Auswertung der elektnschen Signale, welche In einem derartigen Spulensystem induziert werden, erfolgt erfindungsgemäss so, dass die Signale der Spulen, gegebenenfalls nach einer Korrektur ihrer Phasen, einer Subtrahierschaltung zur Bestimmung einer Spannungsdifferenz bzw. eines Spannungsgradienten zugeführt werden und dass in einer Auswerteschaltung der Quotient aus dem Quadrat eines Spannungsmesswertes und des Spannungsgradienten gebildet und einem Ausgang zugeführt wird.
Eine derartige Quotientenbildung ermöglicht es darüberhinaus, das Verfahren, wie es der Erfindung entspricht, so durchzuführen, dass die Messwerte von zwei um ein Vielfaches der halben Wellenlänge der periodischen Schwingung des elektrisch leitenden Bauteiles zueinander versetzte Spulensysteme verglichen werden, dass in vorteilhafter Weise das dem Leiter abgewandte Spulensystem einem System zur Erzeugung von Referenzfeldern ausgesetzt wird, und dass die Referenzfelder so gesteuert und verändert werden, bis ein Abgleich auf Null der Messwerte der Spulensysteme erzielt wird. Mit einer derartigen Verfahrensführung lassen sich überaus kleine Messgrössen exakt und reproduzierbar erfassen.
Für die kontaktlos Bestimmung von Gleichströmen bzw. Gleichspannungen können als mechanische Schwingungen Ultraschallschwingungen verwendet werden, wobei derartige mechanische Schwingungen mit Rücksicht auf die relativ hohe Frequenz von Ultraschallschwingungen naturgemäss auch im Falle von niedngfrequenten Wechselspannungen oder Wechselströmen noch keine Störung der Messung bewirken
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würden. Zwischen Gleichspannungen und Gleichströmen bzw. Wechselspannungen und Wechselströmen kann jedoch in einfacher Weise dadurch unterschieden werden, dass beispielsweise der Schwingungserreger abgeschaltet wird, worauf im Falle von Gleichspannungen bzw. Gleichströmen ein weiteres Signal für eine Auswertung nicht mehr zur Verfügung steht.
Um sicherzustellen, dass die Messwerte durch den Antrieb des mechanischen Erregers der periodischen Schwingungen nicht beeinträchtigt werden, kann mit Vorteil das erfindungsgemässe Verfahren so durchgeführt werden, dass der (die) Erreger der mechanischen periodischen Schwingungen intermittierend betrieben wird (werden) und dass die Messwerte der Spulensysteme in abgeschaltetem Zustand der (des) Erreger (s) einer Auswertung und Bearbeitung unterzogen werden. Insbesondere im Falle von Ultraschallschwingungen kann davon ausgegangen werden, dass nach Abschalten des mechanischen Erregers die periodischen Schwingungen nicht rasch genug abklingen, um nicht in der Folge noch einen hinreichend grossen Zeitraum für eine Messung mit gleichmässigen periodischen Schwingungen des Spulensystemes zur Auswertung heranziehen zu können.
Im Falle der Bestimmung von Gleichströmen kann, wie eingangs erwähnt, dann, wenn der elektrische Leiter zur Gänze von einem Teil der Messsonde umgeben werden kann, mit Vorteil so vorgegangen werden, dass anstelle der Magnetfeldmessung mit Hallsonde oder Magnetisierungskennliniensonden eine Magnetfeldmessung und daraus abgeleitet eine Strombestimmung derart durchgeführt wird, dass das Signal zumindest einer Spule, gegebenenfalls im Zusammenwirken mit magnetisch leitenden Bauteilen entlang eines Teiles der Feldlinien, verarbeitet wird, wobei zumindest ein magnetischer Bauteil oder die Spule selbst, oder ein elektrisch leitender Teil in der Umgebung der Spule in periodische mechanische Schwingungen versetzt wird.
Das elektrische Spulensystem kann in diesem Falle in einem Spalt oder in der Nähe des Spaltes eines ringförmigen, den elektrischen Leiter umgebenden, magnetisch leitenden Bauteils angeordnet werden, wobei die mechanische Erregung nur auf den magnetisch leitenden Bauteil oder auf die Spulen oder auf einen elektrisch leitenden Bauteil in deren Nähe zur Wirkung gebracht werden. Auf diese Weise erhält man auch dann Messsignale zur Strombestimmung, wenn die Sonde den Leiter nicht vollständig umschliesst.
Im Falle der kontaktlosen Bestimmung von Spannungen ist das elektrische Feld als Messgrösse heranzuziehen. Ein elektrisches Feld kann in elektrischen Leitern eine Spannung influenzieren, wobei in der Folge Potentialdifferenzen zwischen der influenzierten Spannung und einer Referenz gemessen werden können. Mit Vorteil wird das Verfahren zur kontaktlosen Bestimmung elektrischer Spannungen hiebei so ausgeführt, dass wenigstens zwei Elektroden in das elektrische Feld des Leiters bewegt werden und im Falle der Bestimmung von Gleichspannungen die Elektroden und/oder ein elektrisch leitender Bauteil in periodische Schwingungen versetzt werden, wobei das Potential einer influenzierten Spannung gegen einen Referenzpunkt gemessen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ; Fig. 2 eine Teilansicht in Richtung des Pfeiles 11
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Auswertung von mit den Spulensystemen der Ausbildung gemäss Fig. 1 aufgenommenen Messgrössen im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens ; Fig. 5 in einer zu Fig. 1 ähnlichen Darstellung eine abgewandelte Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, wobei ein Referenzsputensystem Verwendung findet ; Fig. 6 ein Schaltdiagramm zur Auswertung von mit der Ausführungsform gemäss Fig. 5 aufgenommenen Messgrössen ;
Fig. 7 schematisch eine weitere abgewandelte Ausführungsform, wobei lediglich schwingende Elektroden Verwendung finden ; Fig. 8 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles VIII der Fig. 7 ; Fig. 9 eine Draufsicht in Richtung des Pfeiles IX der Fig. 7 ; und Fig. 10 eine schematische Darstellung in einem Schnitt auf den Leiter einer weiteren Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
In Fig. 1 ist mit 1 ein elektrischer Leiter bezeichnet, In welchem durch eine kontaktlos Messung eine elektrische Messgrösse bestimmt werden soll. Zur kontaktlosen Bestimmung von Gleichspannungen werden in die Nähe des elektrischen Leiters Elektroden 2 in unterschiedlichem Abstand vom Leiter gebracht, wobei den Elektroden ein in periodische mechanische Schwingungen versetzbarer bzw. versetzter Bauteil 3 zugeordnet ist, welcher selbst wiederum elektrisch leitend ist. Die gegenseitige räumliche Anordnung der Elektroden 2 sowie des elektrisch leitenden und schwingenden Bauteiles 3 ist in Fig. 2 näher dargestellt.
Dabei ist mit 4 strichliert die Mittellinie des schwingenden Bauteiles 3 angedeutet. Weiters sind in Fig. 2 Anschlüsse 5 zu den Elektroden angedeutet. Durch den periodisch bewegten, elektrisch leitenden Bauteil 3 wird das elektrische Feld in der Umgebung des Leiters 1 verzerrt, wodurch in den Elektroden 2 ein Signal influenziert wird, welches nach einer Auswertung zur Bestimmung der elektrischen Messgrösse herangezogen werden kann.
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Zusätzlich oder alternativ ist weiters vorgesehen, dass zwei ebenfalls in unterschiedlichem Abstand vom
Leiter 1 angeordnete Spulensysteme 6 in die Nähe des Leiters 1 gebracht werden, wobei zur Bestimmung von Gleichströmen und Wechselströmen Im elektnschen Leiter die Spulen 6 wiederum mit dem periodisch schwingenden Bauteil 3 zusammenwirken, indem dieser das magnetische Feld durch die Wirbelströme in diesem Bauteil verzerrt, wodurch in den Spulen 6 ein Signal induziert wird, welches nach einer Auswertung zur Bestimmung der elektrischen Messgrösse herangezogen werden kann.
Die räumliche Anordnung der
Spulensysteme 6 relativ zum periodisch schwingenden Bauteil 3 ist in Fig. 3 näher dargestellt, wobei bei der gezeigten Ausführungsform die Spulen 6 symmetrisch relativ zum Bauteil 3 angeordnet sind, so dass insgesamt vier Spulen Verwendung finden, welche jeweils paarweise angeordnet sind. Dies trägt zu einer
Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung der elektrischen Messgrösse bei. Die Anordnung von lediglich zwei Spulen In unterschiedlichem Abstand vom elektrischen Leiter 1 ist jedoch ausreichend. Bei Verwen- dung von Doppelspulen ist es unerheblich, ob die Signale der Teilspulen durch Verbinden der Anschlüsse in der gezeichneten Weise verknüpft werden, oder ob die Verknüpfung erst in der Auswerteschaltung 7 oder später erfolgt.
Anstelle der Verwendung eines elektrisch leitenden und periodisch schwingenden Bauteiles 3 können die Spulen bzw. Elektroden selbst in Schwingungen versetzt werden, so dass in den schwingenden Spulen 6 bzw. Elektroden 2 entsprechende Signale induziert werden können. Bei Messung von Wechselspannungen oder Wechselströmen kann auf den schwingenden Bauteil 3 bzw. eine schwingende Anordnung der Spulen verzichtet werden, da gemäss bekannten Gesetzmässigkeiten entsprechende Messgrössen abgenommen werden können.
Neben der Bestimmung von Spannungen bzw. Stromstärken können gemäss ebenfalls bekannten
Gesetzmässigkeiten Widerstände und Leistungen aus den gewonnenen Signalen abgeleitet werden.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten schematischen Schaltkreis sind die Spulen 6 angedeutet, welche in
Analogie zur Ausführungsform gemäss den Fig. 1 und 3 paarweise relativ zur Mittellinie 4 des schwingenden
Bauteiles 3 angeordnet sind. Die an den Spulen 6 abgenommenen Signale werden einem ersten Auswerte- element 7 zugeführt, in welchem eine Anpassung, eine Verstärkung und gegebenenfalls eine Phasenkom- pensation vorgenommen wird. Anschliessend gelangen sie in ein Element 8 für eine Übersprechkompensa- t ! on, worauf anschliessend ein Wert UB für die Spannung und ein zweiter Wert Um für den Gradienten der
Spannung zwischen den zwei Spulen erhalten wird. Die Übersprechkompensatlon und die Bildung von UB und UBG kann auch in einem Zuge erfolgen.
Es erfolgt anschliessend eine Quotientenbildung zwischen dem
Quadrat der Spannung UB und dem Gradienten UBG woraus sich ein Spannungswert Ui ergibt, weicher entsprechend dem Pfeil 10 einer Anzeige oder weiteren Auswertung zugeführt werden kann.
Dies kann dabei derart erfolgen, dass die Messsignale drahtlos mit Funkübertragung oder mit Lichtüber- tragung zu einer Auswerteeinheit gesendet werden und/oder Steuersignale drahtlos von der Auswerteeinheit zum Schaltkreis übertragen werden.
Bel der Ausführungsform gemäss den Fig. 5 und 6 werden für gleiche Bauteile die Bezugszeichen der vorangehenden Ausführungsform beibehalten. Zusätzlich zu den im unterschiedlichem Abstand vom Leiter
1 angeordneten Spulensystemen 6, welche wiederum bei der Bestimmung von Gleichspannungen bzw.
Gleichströmen mit dem periodisch schwingenden, elektrisch leitenden Bauteil 3 zusammenwirken, ist in einem Abstand, welcher einem Vielfachen n der halben Wellenlänge des periodisch schwingenden Bautei- les 3 entspricht, ein weiteres System von Spulen 11 vorgesehen, wobei das System von Spulen 11 einem
Spulensystem 12 zur Simulierung des festzustellenden Spannungswertes UB und einem Spulensystem 13
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ersichtlich ist.
Der periodisch schwingende, elektrisch leitende Bauteil 3 wird bei der gezeigten Ausführungsform durch einen schematisch angedeuteten Piezokristall 14 zu seiner Schwingung angeregt, wobei der Piezo 14 sich In einem Knoten der Schwingung des Bauteiles 3 befindet. Alternativ zu dem Erreger 14 kann in einem Bauch der Schwingung des Bauteiles 3 ein elektromagnetischer Schwinger 15 vorgesehen sein, welcher In Fig. 5 stnchliert angedeutet ist.
Zusätzlich zu den in Fig. 4 gezeigten Komponenten des Schaltkreises sind bei der Ausführungsform gemäss Fig. 6 Stromtreiber 16 vorgesehen, welche, wie oben erwähnt, zur Erzeugung eines Referenzfeldes bzw. zur Simulierung der zu bestimmenden Messgrössen herangezogen werden. Die Signale sämtlicher Spulen bzw. Spulensysteme 6 und 11 werden wiederum den Bauteilen 7 und 8 zugeführt, woraus Signale für die Spannung Uso und den Spannungsgradienten UBGO Regelverstärkern 17 zugeführt werden, wobei eine Veränderung der Verhältnisse in den Referenzspulensystemen 12 und 13 über die Stromtreiber 16 so lange erfolgt, bis ein Abgleich der Messgrösse der Spulensysteme 6 und 11 auf Null erfolgt.
Bei Erreichen eines derartigen Abgleiches wird wiederum im Element 9 der Quotient aus dem Quadrat der Spannung Us und dem Spannungsgradienten UBG gebildet, woraus sich wiederum der Spannungswert U, ableiten lässt,
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welcher einer Anzeige bzw. Auswertung über 10 zugeführt wird.
Träger der Information für das Magnetfeld bzw. den Magnetfeldgradienten in den Fig. 4 und 6 sind Amplituden der Signale Us bzw. Uec. deren Frequenz und Phasenlage durch die Ultraschallschwingung des Teiles 3 vorgegeben ist. Es geht daher keine Information verloren, wenn in den Signalwegen ein Amplitudendemodulator, beispielsweise ein Gleichrichter oder ein von der bekannten Ultraschallschwingung gesteuerter Synchrondemodulator bzw. Multiplizierer, und ein Tiefpassfilter vorgesehen ist. Jedenfalls ist die AMDemodulation vor Weiterleitung des Signals an die Anzeige bzw. am Eingang des Regelverstärkers sinnvoll.
Wenn eine einfache Gleichrichtung verwendet wird, kann die Phasenkompensation entfallen.
Hochfrequenzsignale, die gleichzeitig oder abwechselnd mit den ultraschallfrequenten Signalen gemessen werden, können auch in einem weiteren parallelen Signalweg, gegebenenfalls nach Frequenzgang, Phasengang- und Laufzeitkorrektur, in gleicher Weise durch Bildung von Us und Uac sowie durch Quotientenbildung zwischen dem Quadrat des Signals Us und des Signals UBG ausgewertet und zur Anzeige gebracht werden.
Da eine Realisierung der Schaltung als IC zweckmässig ist, sollte berücksichtigt werden, dass die Signale bereits nach Anpassung und Verstärkung im Element 7 digitalisiert werden können und dass die weitere Signalverarbeitung, wie Phasenkompensation, Übersprechkompensation usw., durch Rechenalgorithmen realisiert werden können. Im Falle der Fig. 6 können die Regelverstärker 17 ebenfalls durch Regelalgorithmen verwirklicht werden. Vor den Stromtreibern 16 hätte wieder eine Digital-Analog-Umsetzung zu erfolgen.
Bei der Ausführungsform gemäss den Fig. 7 bis 9 sind unmittelbar mit dem periodisch schwingenden Bauteil 3 sich quer zur Längsachse des Leiters 1 erstreckende Drahtelemente oder Streifenelemente 19 gekoppelt, deren Länge so abgestimmt ist, dass diese bei der Longitudinalschwingung des Bauteils 3 zu einer Biegeschwingung angeregt werden, wie dies schematisch durch 19'in Fig. 9 angedeutet ist, wobei weiters in Fig. 9 mit XB die Wellenlänge der Biegeschwingung angedeutet ist. Durch den schwingenden Bauteil 19 wird das elektrische Feld in der Umgebung des Leiters verzerrt, wodurch in den Elektroden 18 Signale influenziert werden, welche nach einer Auswertung zur Bestimmung der elektrischen Messgrössen herangezogen werden können. Zusätzlich kann ein Strommesssystem mit Spulen 6 verwendet werden.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 10 wird der elektrische Leiter 1 von einem magnetisch leitenden Bauteil 20 nahezu vollständig umgeben, wobei in einem Spalt 21 dieses magnetisch leitenden Bauteiles 20 eine Spule bzw. ein Spulensystem 22 angeordnet ist, welche (s) zur Bestimmung von Gleich- und/oder Wechselströmen wiederum mit einem periodisch schwingenden Bauteil 3 gekoppelt ist.
Bei Einsatz von Ultraschall als mechanische Schwingungen des Bauteiles 3 finden bei einer Frequenz von beispielsweise 50 kHz Amplituden von 1 um Verwendung. Weiters wird bei Verwendung von Ultraschall das Verfahren zu einer Vermeidung von Störungen bei der Auswertung der Signale so durchgeführt, dass der Erreger intermittierend betneben wird und dass die tatsächliche Bestimmung der zu ermittelnden Messgrössen in denjenigen Zeiträumen erfolgt, in welchen der Erreger abgeschaltet ist. Bei Verwendung von Ultraschall klingen die Schwingungen so langsam ab, dass in den für eine Messung benötigten relativ kurzen Zeiträumen auf jeden Fall von konstanten periodischen mechanischen Schwingungen ausgegangen werden kann.
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Measurement of currents has become known for tapping electrical conductors without contact using pliers, the pliers being intended to surround the conductor as completely as possible. If a coil system is arranged on a ring-shaped magnetic conductor, which largely completely surrounds the current-carrying conductor, a quantity proportional to the current in the electrical conductor is induced in such a coil system and, due to the known proportionality of the induction current to the measurement quantity causing the induction, is on this way a contactless determination of current strengths is possible.
For the contactless determination of direct currents with the aid of such current clamps, the current measurement is traced back to a magnetic field measurement with a Hall probe or magnetization sensors in the known method. However, these probes have disadvantages with respect to offset. Noise and temperature errors. Furthermore, it is disadvantageous that this method can only be carried out if the conductor in which the current to be determined flows can be completely encompassed.
It is known that alternating electromagnetic fields induce signals in coils, which are subsequently suitable for various displays. However, a quantitative evaluation to determine the measurement variable itself is generally not readily possible due to the lack of suitable reference fields.
The invention now aims to create a method of the type mentioned at the beginning with which the non-contact or contactless determination of equal or alternate! voltages, currents, powers or resistances are made possible even if the electrical conductor on which such contactless measurements are to be carried out cannot be completely encompassed. Furthermore, the present invention aims to provide a method of the type mentioned at the beginning, with which direct voltages or direct currents can be detected exactly when the electrical conductor on which the measurement is to be carried out can be completely encompassed.
To achieve this object, the method according to the invention essentially consists in that at least two coil systems are positioned in the electromagnetic field of the conductor at different distances from it, an electrically conductive component in the vicinity of the coils for the determination of direct voltages and / or currents is set into penodic mechanical vibrations that the signals of the coils, possibly after a correction of their phases, a subtracting circuit for determining a voltage difference or
of a voltage gradient and that the quotient of the square of a voltage measurement value and the voltage gradient is formed and fed to an output and that the measurement values of two coil systems offset by a multiple of half the wavelength of the periodic oscillation of the electrically conductive component are compared. The fact that two coil systems arranged at a distance from one another are used initially ensures that different voltages are induced in the two coil systems which differ from one another in accordance with their distance.
Taking into account the known distance between the two coil systems or taking into account the fact that the difference in the measured variables now makes it possible to compensate, it is possible to recalculate or infer the actual measured variable to be measured. In the case of the determination of direct voltages and / or direct currents, however, it is necessary to take care of a corresponding induction and this is achieved in that according to the invention the coils and / or an electrically conductive component in the vicinity of the coils causes periodic mechanical vibrations will.
The evaluation of the electrical signals which are induced in such a coil system takes place according to the invention in such a way that the signals of the coils, if necessary after a correction of their phases, are fed to a subtracting circuit for determining a voltage difference or a voltage gradient and that the quotient is used in an evaluation circuit formed from the square of a voltage measured value and the voltage gradient and fed to an output.
Such a quotient formation also makes it possible to carry out the method as it is in accordance with the invention in such a way that the measured values of two coil systems offset from one another by a multiple of half the wavelength of the periodic oscillation of the electrically conductive component are advantageously compared to the conductor facing coil system is exposed to a system for generating reference fields, and that the reference fields are controlled and changed until an adjustment to zero of the measured values of the coil systems is achieved. With such a procedure, extremely small measurement variables can be recorded precisely and reproducibly.
For the contactless determination of direct currents or direct voltages, ultrasonic vibrations can be used as mechanical vibrations, whereby such mechanical vibrations naturally do not cause any disturbance of the measurement, even in the case of low-frequency alternating voltages or alternating currents, given the relatively high frequency of ultrasonic vibrations
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would. A distinction can, however, be made between direct voltages and direct currents or alternating voltages and alternating currents in a simple manner in that, for example, the vibration exciter is switched off, whereupon in the case of direct voltages or direct currents a further signal is no longer available for evaluation.
To ensure that the measured values are not impaired by the drive of the mechanical exciter of the periodic vibrations, the method according to the invention can advantageously be carried out in such a way that the exciter (s) of the mechanical periodic vibrations is (are) operated intermittently and that the measured values of the Coil systems in the switched-off state of the exciter (s) are subjected to evaluation and processing. In the case of ultrasonic vibrations in particular, it can be assumed that the periodic vibrations do not subside quickly enough after the mechanical exciter has been switched off, so that a sufficiently long period of time for a measurement with uniform periodic vibrations of the coil system cannot subsequently be used for evaluation.
In the case of the determination of direct currents, as mentioned at the beginning, if the electrical conductor can be completely surrounded by part of the measuring probe, the procedure can advantageously be such that instead of the magnetic field measurement with Hall probe or magnetization characteristic probes, a magnetic field measurement and a current determination derived therefrom is carried out in such a way that the signal of at least one coil, possibly in cooperation with magnetically conductive components along part of the field lines, is processed, with at least one magnetic component or the coil itself, or an electrically conductive part in the vicinity of the coil being periodically mechanical Vibrations is set.
In this case, the electrical coil system can be arranged in a gap or in the vicinity of the gap of a ring-shaped, magnetically conductive component surrounding the electrical conductor, the mechanical excitation only on the magnetically conductive component or on the coils or on an electrically conductive component are brought into effect in their vicinity. In this way, measurement signals for current determination are obtained even if the probe does not completely surround the conductor.
In the case of contactless determination of voltages, the electrical field is to be used as a measurement. An electric field can influence a voltage in electrical conductors, whereby potential differences between the influenced voltage and a reference can subsequently be measured. The method for contactless determination of electrical voltages is advantageously carried out in such a way that at least two electrodes are moved into the electrical field of the conductor and, in the case of the determination of direct voltages, the electrodes and / or an electrically conductive component are set in periodic vibrations, the Potential of an influenced voltage is measured against a reference point.
The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments schematically illustrated in the drawing. 1 shows a schematic illustration of a first embodiment for carrying out the method according to the invention; 2 is a partial view in the direction of arrow 11
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Evaluation of measurement variables recorded with the coil systems of the design according to FIG. 1 within the scope of the method according to the invention; 5 shows, in a representation similar to FIG. 1, a modified embodiment for carrying out the method according to the invention, a reference sputtering system being used; FIG. 6 shows a circuit diagram for evaluating measured variables recorded with the embodiment according to FIG. 5;
7 schematically shows a further modified embodiment, only oscillating electrodes being used; Fig. 8 is a view in the direction of arrow VIII of Fig. 7; Fig. 9 is a plan view in the direction of arrow IX of Fig. 7; and FIG. 10 shows a schematic illustration in a section on the conductor of a further embodiment for carrying out the method according to the invention.
1, 1 denotes an electrical conductor, in which an electrical measurement variable is to be determined by a contactless measurement. For the contactless determination of direct voltages, electrodes 2 are brought into the vicinity of the electrical conductor at different distances from the conductor, with the electrodes being assigned a component 3 which can be set in periodic mechanical vibrations and which in turn is electrically conductive. The mutual spatial arrangement of the electrodes 2 and the electrically conductive and vibrating component 3 is shown in more detail in FIG. 2.
The center line of the vibrating component 3 is indicated by dashed lines at 4. Furthermore, connections 5 to the electrodes are indicated in FIG. 2. The periodically moved, electrically conductive component 3 distorts the electrical field in the vicinity of the conductor 1, as a result of which a signal is influenced in the electrodes 2, which signal can be used to determine the electrical measurement variable after evaluation.
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Additionally or alternatively, it is also provided that two are also at different distances from the
Conductor 1 arranged coil systems 6 are brought into the vicinity of the conductor 1, the coils 6 in turn interacting with the periodically oscillating component 3 in order to determine direct currents and alternating currents in the electrical conductor by distorting the magnetic field due to the eddy currents in this component, thereby a signal is induced in the coils 6, which can be used after an evaluation to determine the electrical measurement variable.
The spatial arrangement of the
Coil systems 6 relative to the periodically oscillating component 3 are shown in more detail in FIG. 3, the coils 6 being arranged symmetrically relative to the component 3 in the embodiment shown, so that a total of four coils are used, which are each arranged in pairs. This contributes to one
Increase in accuracy when determining the electrical measurement quantity. The arrangement of only two coils at different distances from the electrical conductor 1 is, however, sufficient. If double coils are used, it is irrelevant whether the signals of the partial coils are linked by connecting the connections in the manner shown, or whether the linkage takes place only in the evaluation circuit 7 or later.
Instead of using an electrically conductive and periodically vibrating component 3, the coils or electrodes themselves can be set in vibration, so that corresponding signals can be induced in the vibrating coils 6 or electrodes 2. When measuring alternating voltages or alternating currents, the oscillating component 3 or an oscillating arrangement of the coils can be dispensed with, since corresponding measurement parameters can be taken in accordance with known laws.
In addition to the determination of voltages or currents, according to also known
Resistance and power are derived from the signals obtained.
In the schematic circuit shown in Fig. 4, the coils 6 are indicated, which in
Analogous to the embodiment according to FIGS. 1 and 3 in pairs relative to the center line 4 of the vibrating
Component 3 are arranged. The signals taken from the coils 6 are fed to a first evaluation element 7, in which an adaptation, an amplification and, if necessary, a phase compensation is carried out. Then you get to an element 8 for cross-talk compensation! on, followed by a value UB for the voltage and a second value Um for the gradient of the
Voltage is obtained between the two coils. The crosstalk compensation and the formation of UB and UBG can also be done in one go.
There is then a quotient between the
Square of the voltage UB and the gradient UBG, from which a voltage value Ui results, which can be fed to a display or further evaluation according to the arrow 10.
This can be done in such a way that the measurement signals are sent to an evaluation unit wirelessly with radio transmission or with light transmission and / or control signals are transmitted wirelessly from the evaluation unit to the circuit.
5 and 6, the reference numerals of the preceding embodiment are retained for the same components. In addition to those at different distances from the conductor
1 arranged coil systems 6, which in turn when determining DC voltages or
Direct currents interact with the periodically oscillating, electrically conductive component 3, a further system of coils 11 is provided at a distance which corresponds to a multiple n of half the wavelength of the periodically oscillating component 3, the system of coils 11 being one
Coil system 12 for simulating the voltage value UB to be determined and a coil system 13
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can be seen.
In the embodiment shown, the periodically oscillating, electrically conductive component 3 is excited to oscillate by a schematically indicated piezo crystal 14, the piezo 14 being located in a node of the oscillation of the component 3. As an alternative to the exciter 14, an electromagnetic vibrator 15 can be provided in a belly of the vibration of the component 3, which is indicated in FIG.
In addition to the components of the circuit shown in FIG. 4, current drivers 16 are provided in the embodiment according to FIG. 6, which, as mentioned above, are used to generate a reference field or to simulate the measured variables to be determined. The signals from all the coils or coil systems 6 and 11 are in turn supplied to the components 7 and 8, from which signals for the voltage Uso and the voltage gradient UBGO control amplifiers 17 are supplied, with a change in the conditions in the reference coil systems 12 and 13 via the current drivers 16 long until the measured quantity of the coil systems 6 and 11 is adjusted to zero.
When such a comparison is reached, the quotient of the square of the voltage Us and the voltage gradient UBG is again formed in element 9, from which the voltage value U, can in turn be derived.
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which is fed to a display or evaluation above 10.
The information for the magnetic field or the magnetic field gradient in FIGS. 4 and 6 are carried by amplitudes of the signals Us and Uec. whose frequency and phase position is predetermined by the ultrasonic vibration of part 3. Therefore, no information is lost if an amplitude demodulator, for example a rectifier or a synchronous demodulator or multiplier controlled by the known ultrasonic oscillation, and a low-pass filter are provided in the signal paths. In any case, AM demodulation makes sense before the signal is forwarded to the display or at the input of the control amplifier.
If simple rectification is used, phase compensation can be omitted.
High-frequency signals that are measured simultaneously or alternately with the ultrasound-frequency signals can also be in a further parallel signal path, if necessary after frequency response, phase response and propagation time correction, in the same way by forming Us and Uac and by forming the quotient between the square of the signal Us and the Signals UBG are evaluated and displayed.
Since it is expedient to implement the circuit as an IC, it should be taken into account that the signals can already be digitized in element 7 after adaptation and amplification, and that the further signal processing, such as phase compensation, crosstalk compensation, etc., can be implemented by computing algorithms. In the case of FIG. 6, the control amplifiers 17 can also be implemented by control algorithms. Before the current drivers 16, a digital-to-analog conversion would have to take place again.
In the embodiment according to FIGS. 7 to 9, wire elements or strip elements 19 extending transversely to the longitudinal axis of the conductor 1 are directly coupled to the periodically oscillating component 3, the length of which is coordinated in such a way that they excite a bending oscillation when the component 3 vibrates longitudinally are, as is indicated schematically by 19 ′ in FIG. 9, wherein the wavelength of the bending oscillation is also indicated in FIG. 9 by XB. The oscillating component 19 distorts the electrical field in the vicinity of the conductor, as a result of which signals 18 are influenced in the electrodes 18, which signals can be used to determine the electrical measurement variables after evaluation. In addition, a current measuring system with coils 6 can be used.
In the embodiment according to FIG. 10, the electrical conductor 1 is almost completely surrounded by a magnetically conductive component 20, a coil or a coil system 22 being arranged in a gap 21 of this magnetically conductive component 20, which coil (s) is used to determine the same - And / or alternating currents are in turn coupled to a periodically oscillating component 3.
When using ultrasound as mechanical vibrations of component 3, amplitudes of 1 μm are used at a frequency of, for example, 50 kHz. Furthermore, when using ultrasound, the method for avoiding disturbances in the evaluation of the signals is carried out in such a way that the exciter is operated intermittently and that the measured variables to be determined are actually determined in those periods in which the exciter is switched off. When using ultrasound, the vibrations decay so slowly that constant periodic mechanical vibrations can be assumed in any case in the relatively short time periods required for a measurement.