CH641278A5

CH641278A5 - Vorrichtung zur messung der kapazitaet eines kabels.

Info

Publication number: CH641278A5
Application number: CH926079A
Authority: CH
Inventors: Stefan Zgorski
Original assignee: Zumbach Electronic Ag
Priority date: 1979-10-15
Filing date: 1979-10-15
Publication date: 1984-02-15
Also published as: FR2472758B1; GB2060907A; JPH027432B2; AU538499B2; IT8025220A0; GB2060907B; DE3019034A1; CA1157097A; BE885573A; US4424480A; IT1132935B; AU6320380A; JPS5663273A; DE3019034C2; FR2472758A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Kapazität eines Kabels, mit einer zylindrischen Messelektrode und koaxial beidseitig derselben liegenden zylindrischen Abschirmelektroden, wobei das Kabel in Axialrichtung durch die genannten Elektroden durchführbar ist und Mittel zum Anlegen einer Wechselspannung zwischen den Elektroden und dem Kabelleiter sowie zur Ermittlung des zwischen der Messelektrode und dem Kabelleiter fliessenden Stromes vorgesehen sind.

Solche Messvorrichtungen zur Ermittlung der spezifischen Kabelkapazität auf einer bestimmten Länge sind bekannt, wobei sich die Elektroden im Wasserbad befinden. Die Kapazität wird hierbei ermittelt mit Hilfe des in der Anschlussleitung zur Messelektrode fliessenden Wechselstromes. Diese Messung ist jedoch nur zuverlässig und richtig, wenn selbst für etwas schwankende Wasserqualitäten, insbesondere Wasserleitfähigkeiten, keine Stromänderungen auftreten. Dies bedeutet wiederum, dass insbesondere die Abschirmelektroden mit Hilfe von Verstärkern und zugeordneten Netzwerken auf einer nach Grösse und Phase genau mit der Spannung an der Messelektrode übereinstimmenden Spannung gehalten werden müssen. Auch die weiteren Abschirmungen innerhalb des Messwerks müssen auf einer entsprechenden Spannung gehalten werden, um Änderungen des kapazitiven Stromes zwischen der Messelektrode und äusseren Teilen der Messvorrichtung, beispielsweise dem Trog, in welchem sich das Wasser befindet, zu verhindern. Wie erwähnt, fällt es relativ schwer, diese Bedingungen alle ideal einzuhalten, besonders wenn die elektrischen Eigenschaften des Wassers sich im Laufe der Zeit ändern.

Es ist das Ziel vorliegender Erfindung, die genannten Schwierigkeiten zu umgehen. Die Lösung besteht darin, dass die Mittel zur Ermittlung des fliessenden Stromes Stromwandler umfassen, deren Ringkerne koaxial zu den Elektroden im Bereiche zwischen der Messelektrode und je einer der

Abschirmelektroden liegen und deren Wicklungen gegenein-anderwirkend geschaltet sind. Diese Stromwandler messen nun die Differenz des im Kabelleiter zwischen den beiden Enden der Messelektrode auftretenden Ströme, und diese Differenz kann nur dem zwischen dem Kabelleiter und der Messelektrode fliessenden kapazitiven Strom entsprechen. Das stimmt umsomehr, als man annehmen darf, die Anordnung sei völlig symmetrisch aufgebaut, d.h. etwaige zusätzliche kapazitive Ströme, welche die Ringkerne der Stromwandler durchsetzen und in denselben magnetischen Fluss induzieren könnten, seien völlig symmetrisch, sodass sich ihre Wirkungen vollständig kompensieren.

Der mögliche Einfluss solcher Ströme, die übrigens infolge der Leitfähigkeit des Wassers auch ohmsche Anteile aufweisen können, werden vorzugsweise weiter dadurch herabgesetzt, dass jeder Ringkern eine Gegenkopplungswicklung trägt, die mit dem Ausgang eines Messverstärkers verbunden ist. Damit werden die magnetischen Felder in den Ringkernen und die in den Messwandlern induzierten Spannungen bzw. Ströme auf ein Minimum herabgesetzt, wodurch eventuelle störende Einflüsse der erwähnten Fremd- oder Streuströme weiter herabgemindert werden können.

Die erfindungsgemässe Lösung erlaubt nun einen äusserst einfachen Aufbau der Messvorrichtung, indem die Abschirmelektroden je durch einen den benachbarten Ringkern aussen umfassenden Leiter direkt mit der Messelektrode verbunden sein können. All die oben erwähnten Verstärker und Netzwerke zum Betrieb der Abschirmelektroden mit einer der Spannung an der Messelektrode genau entsprechenden Spannung fallen weg.

Gegebenenfalls kann die Anordnung noch weiter vereinfacht und der Einfluss eventueller asymmetrischer Streuströme noch weiter eingedämmt werden, wenn die Ringkerne nicht ausserhalb, sondern innerhalb der Elektrode zwischen denselben und dem Kabel angeordnet werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die ein Ausführungsbeispiel der Messvorrichtung sowie einige Ausführungsvarianten der Mess- und Gegenkopplungsschaltung zeigen.

Fig. 1 zeigt einen teils schematischen Längsschnitt durch die Messvorrichtung,

Fig. 2 zeigt ein äquivalentes elektrisches Schema der Messvorrichtung und

Fig. 3 bis 5 zeigen Mess- und Gegenkopplungsschaltungen.

Die in Fig. 1 dargestellte Messvorrichtung weist in einem Kunststoffgehäuse 1 mit Stutzen 2 ein System von direkt miteinander verbundenen Leitern und Elektroden auf. Ein Anschluss- und Zuführungsleiter, der zugleich als Abschirmung wirkt, weist einen der Form des Gehäuses 1 entsprechenden zylindrischen Teil 3 a und einen der Form des Stutzens 2 angepassten Teil 3b auf. An den Enden des Leiterteils 3a befinden sich leitende Ringe 4 U-förmigen Querschnitts, wobei jeweils der äussere Flansch des Ringes mit einer zylindrischen, äusseren Abschirmelektrode 5 und der innere Flansch mit einer mittleren zylindrischen Messelektrode 6 verbunden ist. Die Elektroden 5 und 6 weisen gleichen Durchmesser auf und sind koaxial angeordnet. Die Elektroden 5 und 6 sind je durch einen Ring 7 aus Isoliermaterial miteinander verbunden, aber elektrisch voneinander getrennt, wobei ein Spalt 8 genau gleicher Breite bzw. axialer Länge zwischen der Messelektrode und je einer der Abschirmelektroden 5 liegt. Symmetrisch zu den Spalten 8 sind ausserhalb derselben Ringkerne 9 je eines Stromwandlers angeordnet, welche Ringkerne an einer Stelle eine Messwicklung 10 angemessener Windungszahl tragen. Die Anschlussleiter dieser Messwicklung 10 sind durch Öffnungen der Ringe 4 durchgeführt und mit einem im Innern des Gehäuses angeordneten

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Messverstärker 11 verbunden. Die schematisch angedeuteten Verbindungen und Wicklungen können weitere Leiter und je eine Gegenkopplungswicklung aufweisen, wie später noch erläutert wird. Das Kabel, dessen Leiter 12 und Isolation 13 ersichtlich sind, wird in Längsrichtung bzw. Axialrichtung durch die Elektroden 5 und 6 durchgeführt. Der Leiter 3a ist vorteilhaft, aber nicht unbedingt erforderlich.

Fig. 2 zeigt ein elektrisches Schaltbild zur Erläuterung der Funktionsweise der Messvorrichtung nach Fig. 1. Die Schaltung weist einen Oszillator 14 auf, der mit einer Frequenz von beispielsweise 20 kHz eine bestimmte Spannung zwischen der Masse und den elektrisch leitenden Teilen 3a, 3b, 4, 5 und 6 im Gehäuse 1,2 anlegt. Zur Masse gehört insbesondere auch das elektrisch leitende Gefäss, in welchem sich das Wasser und die darin eingetauchte Vorrichtung nach Fig. 1 befinden. Die Kapazität C stellt die zu ermittelnde Kapazität zwischen der Messelektrode 6 und dem Kabelleiter 12 dar. Der Kabelleiter 12 stellt je eine Primärwindung 12 auf den beiden Ringkernen 9 dar, während die beiden Wicklungen 10 die sekundären Messwicklungen darstellen. Sie sind entgegengesetzt in den Ausgangsstromkreis geschaltet und mit einer Impedanz 15 belastet. Der Ausgang ist mit einem im Fig. 2 nicht dargestellten Verstärker und einer Messvorrichtung zur Ermittlung des Differenzstromes verbunden. Die leitenden Ringe 4 stellen eine weitere Sekundärwindung auf jedem der Ringkerne 9 dar. Mit ZI und ZI' sind die Impedanzen zwischen der Messelektrode 6 und je einer der Abschirmelektroden 5 bezeichnet, während mit Z2 und Z2' je die Impedanz zwischen einer der Abschirmelektroden und dem Aussengefäss oder Trog der Messanlage bezeichnet ist.

Bei der Messung wird, wie bereits erwähnt, eine Wechselspannung verhältnismässig hoher Frequenz an die Messelektrode 6 und damit über die Ringe 4 auch an die Abschirmelektroden 5 angelegt. Die Abschirmelektroden haben hierbei die Aufgabe, das zwischen der Messelektrode 6 und dem Kabelleiter 12, der mindestens einseitig über eine genügend kleine Impedanz mit Masse verbunden ist, entstehende elektrische Feld an den Rändern genau zu begrenzen, um damit die Messstrecke genau festzulegen. Die zwischen den Elektroden 5 und 6 und dem Kabelleiter 12 fliessenden kapazitiven Ströme gelangen alle über den Kabelleiter zum geerdeten Ende desselben. Durch den Ringkern 9 rechts in Fig. 1 fliesst somit der kapazitive Strom aus der Abschirmelektrode 5 am rechten äusseren Ende. Durch den Ringkern 9 des in Fig. 1 links liegenden Messwandlers fliesst dagegen die Summe der Kapazitiven Ströme, die von der rechts liegenden Abschirmelektrode 5 und von der Messelektrode 6 herrühren. Da somit in beiden Messwandlern der kapazitive Strom von der rechts liegenden Abschirmelektrode fliesst, heben sich diese Ströme bei der Messung auf und der Strom am Ausgang entspricht

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dem kapazitiven Strom zwischen der Messelektrode 6 und dem Kabelleiter. Die Ströme in den Impedanzen Z2 und Z2' beeinflussen die Stromwandler und somit die Messung nicht. Ein gewisses Problem stellt dagegen die Tatsache dar, dass die Ringe 4 eine Sekundärwindung darstellen, die auf die Impedanz ZI bzw. ZI' wirkt. Da diese Impedanzen von den elektrischen Eigenschaften des Wassers abhängig sind, tritt hier ein nicht völlig konstant zu haltender Einfluss auf die Messung auf. Es ist daher erforderlich, die transformierte Impedanz von ZI bzw. ZI' so gering als möglich zu halten. Das kann gemäss Fig. 3,4 und 5 dadurch geschehen, dass die Messwandler mit Gegenkopplungswicklungen versehen werden. Gemäss Fig. 3 sind die Sekundärwicklungen 10 mit dem Eingang je eines Verstärkers 16 verbunden, dessen Ausgang über eine Gegenkopplungswicklung 17 mit dem gemeinsamen Ausgang 18 verbunden ist. Damit wird nun eine sehr niedrige Impedanz am Eingang der Verstärker und ein geringer magnetischer Fluss in den Ringkernen 9 erzielt, wodurch bei angemessener Messempfindlichkeit der Einfluss der Sekundärwindungen 4 und der Impedanzen ZI und ZI' vernachlässigbar gering gehalten werden können.

Fig. 4 zeigt eine entsprechende Anordnung mit einem einzigen Verstärker 16, dem der Differenzstrom der Sekundärwicklungen 10 zugeführt wird. Der Ausgang des Verstärkers ist über zwei in Serie geschaltete Gegenkopplungswicklungen 17 mit dem gemeinsamen Ausgang 18 verbunden, welcher mit einer Messbrücke oder einer Vorrichtung zur Absolut-Strom-messung verbunden ist.

Fig. 5 zeigt eine weitere Variante, bei welcher ebenfalls ein Verstärker 16 vorgesehen ist, dessen Ausgang über parallel geschaltete Gegenkopplungswicklungen 17 mit dem gemeinsamen Ausgang 18 verbunden ist.

Es sind weitere Ausführungsvarianten möglich. Die Ringkerne der Messwandler können innerhalb der Elektroden 5 und 6, also zwischen die Elektroden und den Kabeln angeordnet werden. Im Extremfalle können die Elektroden 5 und 6 durch eine einzige, hohlzylindrische Elektrode ersetzt werden, in die in bestimmten Abständen von den Enden gleichartige Stromwandler eingesetzt sind. Die axial ausserhalb der Stromwandler liegenden Elektrodenteile dienen als Abschirmelektroden, und es wäre bei genügend langer Ausbildung derselben für ein homogenes Feld im Bereiche der Messwandler gesorgt. Bei starrer Konfiguration der Messwandler und der Elektrode ergeben sich stets gleichbleibende Messbedingungen.

Es braucht nicht jeder Ringkern mit einer Gegenkopplungswicklung versehen zu sein. Es kann genügen, auf einem Ringkern eine solche Wicklung anzubringen, sofern der darin fliessende Gegenkopplungsstrom richtig bemessen ist.

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2 Blatt Zeichnungen

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641 278 PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Messung der Kapazität eines Kabels mit einer zylindrischen Messelektrode und koaxial beidseitig derselben liegenden zylindrischen Abschirmelektroden,

wobei das Kabel in Axiairichtung durch die genannten Elektroden durchführbar ist und Mittel zum Anlegen einer Wechselspannung zwischen den Elektroden und einem Kabelleiter sowie zur Ermittlung des zwischen der Messelektrode und dem Kabelleiter fliessenden Stromes vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Ermittlung des fliessenden Stromes Stromwandler (9,10) umfassen, deren Ringkerne (9) koaxial zu den Elektroden (5,6) im Bereiche zwischen der Messelektrode (6) und je einer der Abschirmelektroden (5) liegen und deren Wicklungen (10) gegeneinan-derwirkend geschaltet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmelektroden (5) je durch einen den benachbarten Ringkern aussen umfassenden Leiter (4) direkt mit der Messelektrode (6) verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (4) als Ringleiter U-förmigen Querschnitts, der die Elektroden (5,6) umfasst, ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ringkern (9) eine Gegenkopplungswicklung (17) trägt, die mit dem Ausgang eines Messverstärkers (16) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das die Ringkerne (9) innerhalb der Elektroden (5,6) zwischen denselben und dem Kabel (12,13) liegen.