CN103460057A - 利用可振动运动地构造的电极无接触地确定电势的方法以及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于无接触地确定对象（1）的电势（U）的方法，包括步骤：a)提供可机械振动运动地构造的电极（2），所述电极在空间上与所述对象（1）有距离（

）；b)将该电极（2）置于机械振动（f）中；c)确定所述电极的充电状态的时间变化（I）；d)求得在所述充电状态的时间变化（I）中的至少两个频率分量（f，2f）的幅度(

；e)借助所求得的幅度(

确定进入由电极（2）和对象（1）构成的装置的电容（C）的值中的至少一个参数(

,

)；f)借助所确定的参数(

,

)求得由电极（2）和对象（1）构成的装置的电容（C）；并且g)从所确定的充电状态的变化（I）和所求得的电容（C）中求得所述电势（U）。

Description

利用可振动运动地构造的电极无接触地确定电势的方法以及设备

技术领域

本发明涉及用于无接触地确定对象的电势的方法和设备。

背景技术

无接触地测量流过对象的电流是已知的。这可以经由感应耦合、霍尔（Hall）效应或GMR（Giant Magneto Resistance，巨磁电阻）效应进行。但是为了能够无接触地测量电功率，除了无接触的电流测量之外还需要用于无接触的电势测量的方法。该无接触的电势测量、尤其是对高电压的无接触的电势测量尤其是在智能仪表、智能电网和响应-需求策略的领域中特别重要。

对此的一种可能性由所谓的电场测试仪提供。所述电场测试仪使用感应的效应，以便能经由所求得的电场强度推导出待确定的电压。但是为此必须精确已知应当被确定电势的对象与电场测试仪的测量电极之间的距离以及测量电容中在测量电极与对象之间的材料（电介质）。为了还能够用电场测试仪测量直流电压，一般在测量电极与对象之间采用斩波器（叶轮）形式的遮板（场光阑）。

为了确定纯交流电压，还可以使用电容性分压器，其中在此同样必须已知参考电极与待测量电势之间的耦合电容。

两种方法或设备（电场测试仪和电容性分压器）都以对与待测量电压的耦合的精确认识为前提，尤其是以对测量电极与测量对象之间的距离的精确认识为前提。就这点而言，这些已知方法不适用于仅临时的测量过程或事后的测量安装。电场测试仪和电容性分压器针对精密测量固定安装并且在安装环境中经过校准。在手提测量设备的情况下，需要对测量结构的几何尺寸和材料特性（线路绝缘，空气，燃气，水蒸汽等）的精确认识。此外在市场上常见的电场测试仪中例如使用专门的垫片。但是垫片的缺点是其尤其是对于电绝缘线路的电势确定来说不直接设置在导电材料上并且由此只能不够精确地设定所述距离。此外，绝缘材料的类型不能被考虑。如果已知的无接触电势测量方法的精密性不足，则通常必须进行接触式测量。

发明内容

本发明的任务是提供一种方法和一种设备，利用它们使得在耦合电容首先未知的情况下也能进行无接触的电势测量。

该任务通过具有权利要求1的特征的方法以及具有权利要求8的特征的设备解决。

本发明的方法用于无接触地确定对象的电势并且包括以下步骤：

a)提供可机械振动运动地构造的电极，所述电极在空间上与所述对象有距离；

b)将该电极置于机械振动中；

c)确定所述电极的充电状态的时间变化；

d)求得在所述充电状态的时间变化中的至少两个频率分量的幅度；

e)借助所求得的幅度确定进入由电极和对象构成的装置的电容的值中的至少一个参数；

f)借助所确定的参数求得由电极和对象构成的装置的电容；以及

g)从所确定的充电状态的变化和所求得的电容中求得所述电势。

因此在该方法的范畴中，可以直接确定电极与对象之间的耦合电容，从而尤其是不需要为了电势测量而事先认识或确定所述电容。由此实际的电势测量在该方法的范畴中近似以校准步骤为前提，通过该校准步骤可以求得确定所述耦合电容所需要的未知参数。与采用电场测试仪或电容性分压器不同，在采用所描述的方法的情况下在无接触的电势测量中不需要关于电极与对象的距离的认识或不需要关于电极与对象之间的材料的介电常数的认识。对测量设备的精确机械调整或定义的固定安装被取消。在该方法的范畴中可以精确确定所述电容。由此可以对未知电势进行非常精密的无接触测量。

优选的，该方法包括以下步骤：

d1)确定在第一频率时的第一幅度；

d2)确定在第二频率时的第二幅度，所述第二频率的值是所述第一频率的值的整数倍；以及

e1)从第一幅度与第二幅度的比例中确定电极至对象的静止距离。

所述频率尤其可以是表征电极的充电状态的时间变化的频率。特别优选的是，确定在第二频率时的第二幅度，该第二频率的值是第一频率的值的两倍那么大。替换于确定静止距离地，还可以从第一幅度与第二幅度的比例中确定用介电常数加权的有效静止距离值。特别优选的是，超出预先给定的时间间隔地确定所述充电状态的时间变化并且对这样确定的变化曲线执行傅立叶分析。然后从该傅立叶分析中可以得出取决于频率分量的幅度，从而可以求得在基频时的第一幅度以及在与基频对应的谐波频率时的第二幅度并且从中确定所述比例。这种测量类型比较简单并且允许精确推断出电极至对象的静止距离。不需要直接的距离测量，例如经由机械垫片。校准过程总的来说简单并且耗费不高。在该方法的范畴中不需要与应当被确定电势的对象直接接触。由此也可以确定难以接近的对象的电势。

优选的，在步骤e)中通过数学关系和/或校准曲线确定所述至少一个参数。于是只需要一次校准测量，通过该校准测量确定该校准曲线或数学关系，并且可以向幅度值明确地分配至少一个参数。

优选的，在步骤b)中将电极置于机械振动中，使得电极的振动方向与通过对象的电势导致的电力线平行地延伸。于是实现了非常明确的物理状况并且对象与电极之间的耦合电容的确定可以非常简单地进行。非常精密的测量是可能的。

优选的，在步骤c)中通过测量再充电电流来确定电极的充电状态的时间变化。为此可以将参考电势载体与电极电连接并且在电极与参考电势载体之间布置电流测量设备。特别优选的是在使用放大器情况下的布置，借助该放大器将电极上降落的电压与可预先给定的参考电压相比较。电流测量可以非常精密地执行并且因此允许非常确切地推断出待确定的电势。特别优选的是，为了求得所述电势可以确定有效的再充电电流。

优选的，在步骤g)中通过数学关系和/或校准曲线从所确定的充电状态的变化中求得所述电势。

该方法允许确定对象上的时间恒定的电势。通过电极的振动就已经实现了对电极的可随时间变化的充电状态改变，该充电状态改变可以被测量。但是优选的，还可以借助该方法确定对象的可随时间变化并且可以由电振动频率来表征的电势。步骤b)中的电极在此优选被置于机械振动中，使得所属的机械振动频率大于电振动频率。特别优选的是机械振动频率与电振动频率的比例非常大。于是电极近似在对象上看见时间恒定的电势，并且可以执行去耦合的观察。于是对于交流测量和直流测量都不需要遮板或叶轮。

本发明的设备用于无接触地确定对象的电势并且包括：

-可以与对象在空间上有距离地布置的可机械振动运动地构造的电极；

-测量设备，其被构造为确定电极的充电状态的时间变化；以及

-分析设备，其被构造为求得在所述充电状态的时间变化中的至少两个频率分量的幅度，借助所求得的幅度确定进入由电极和对象构成的装置的电容的值中的至少一个参数，借助所确定的参数求得由电极和对象构成的装置的电容，并且从所确定的充电状态的变化以及所求得的电容中求得所述电势。

优选的，电极被构造为导电板，该导电板基本上可在板法线的方向上振动运动，其中该板优选地与构造为电流测量设备的测量设备电连接。

参照本发明方法所描绘的优选实施方式及其优点也对应地适用于本发明的设备。

附图说明

下面借助实施例详细阐述本发明。

图1示出用于测量线路的未知电势的设备的示意图；

图2示出有效的再充电电流与测量电极至导体的静止距离的相关性；

图3A示出针对测量电极至线路的两个不同距离再充电电流与时间的相关性；

图3B示出通过来自图3A的曲线的傅立叶变换获得的幅度谱；

图4示出向图3B的幅度谱的每个幅度比例分配一个静止距离的校准曲线；以及

图5示出向每个有效的电流值分配线路的一个电压值的校准曲线。

附图中相同或功能相同的元件配备有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出线路1，该线路1是对象，该对象的电势或电压U应当被确定。为此在静止距离d₀处布置可振动运动地构造的测量电极2。振动的能力在此仅示意性示出地可以通过两个弹簧5实现。该布置允许测量电极2在振动方向r上的机械振动并由此允许测量电极2在与测量电极2的面法线平行延伸的方向上的机械振动。测量电极2由金属构造而成，从而由于在线路1的电场E中的感应而得出测量电极2的充电状态的改变。这种再充电可以通过测量再充电电流I得到检测。再充电电流I在此情况下由测量设备3检测，该测量设备是参考电势载体。

测量设备3包括具有第一输入端和第二输入端的放大器4，第一输入端与测量电极2电连接，并且第二输入端接地。放大器4的输出端经由电阻R与第一输入端电连接。

在测量方法的范畴中，测量电极2被置于在振动方向r上的具有频率f的机械振动中。得出以下物理关系：

通过线路1和测量电极2实现具有耦合电容C的平板电容器装置。电容C根据下式来计算：

-ε在此情况下是填满该电容器装置的介质的介电常数；

-A是测量电极2的面积；以及

-d是测量电极2与线路1之间的与时间有关的距离。

利用角频率

得出电容C：

分别流过的再充电电流I因此是：

     。

对测量电极2与线路1之间的测量电容C的调制导致在分析的范畴中以双重的方面被使用的再充电电流I。一方面该再充电电流在校准步骤的范畴内被用于确定未知的电容C；另一方面该再充电电流的有效值被用于借助在校准步骤中求得的电容确定未知的电压U。下面将详细阐述。

图2示出具有曲线S的图表。该曲线表示在有效的再充电电流<I>与静止距离d₀之间的关系。示例性地在曲线S上绘制两个点P1和P2。在点P1处，静止距离是

=0.3 mm，而在点P2处该静止距离是

=0.9 mm。因此有效的再充电电流<I>在点P1处大于在点P2处。

于是对于点P1和P2还分别在图2中示出与时间有关的电流和距离变化曲线。如可以从电流变换曲线在点P1和P2处的比较中看出的，在点P1处属于与时间有关的再充电电流I的曲线比在P2处更强地失真。因此在基本距离或静止距离d₀越变越小的情况下，再充电电流I的信号形状的失真越来越大。该效应可以被用于确定静止距离d₀。

再充电电流的时间特性再次归纳在图3A中。在点P1处的与时间t有关的再充电电流用I₁表示，而在点P2处的再充电电流用I₂表示。现在对再充电电流变化曲线I₁和I₂执行快速傅里叶变换（FFT）。由此得出在图3B中示出的针对再充电电流的幅度谱。在横轴上绘出以赫兹为单位的频率f，而在纵轴上示出以安培为单位的再充电电流的幅度

。再充电电流I₁具有多个频率分量。在基频f=1000Hz时的幅度用

表示；在一次谐波频率2f=2000Hz时幅度为

。这两个幅度的比例根据下式来计算：

=

并且是v₁=2.91。

同样可以对于图3A中的再充电电流I₂采用这种方法。也可以对该再充电电流I₂的与时间有关的变化曲线执行傅立叶分析，从而得出同样在图3B中示出的具有幅度

和

的幅度谱。在此该幅度比例也根据下式计算：

=

，

从而产生值v₂= 8.98。如果观察在图3B中针对两个静止距离0.3mm和0.9mm示出的谱，可以识别出谐波随着静止距离d₀变大而减小。基波与一次谐波的比例对应地增大。

现在可以通过校准曲线向该比例v明确地分配静止距离d₀。这针对图4中的校准曲线K1示出。在比例v与静止距离d₀之间存在线性关系。由此可以由v推断出d₀。该比例另外还与未知的电势无关。该比例的分析用于测量方法范畴内的校准。必要时可以代替静止距离d₀地还在横轴上绘制用介电常数ε加权的距离，例如形式d₀/ε的距离。现在通过静止距离d₀的确定，可以在已知介电常数ε和已知面积A的情况下推断出电容C。由此原则上可以从所测量的再充电电流I中确定电压U。在该方法的范畴中的校准步骤由此结束。

然后在实际的测量运行中例如形成再充电电流I的有效值<I>。由于有效的再充电电流<I>与未知的电势U之间存在线性关系，因此通过校准曲线K2可以直接推断出未知的电势U。该关系在图5中示出。

在图2至图5的实施例中涉及以下假设：频率f=1kHz；振动幅度δ=100μm；并且面积A=100mm²。

该测量方法的两个子步骤被再次总结如下：

1.在校准步骤中将测量电极2定位在线路1之前。静止距离d₀在该安装之后未精确已知；需要进行校准。为此将测量电极2置于振动下并且对振动的测量电极2中的再充电电流I进行谱分析。分别在振动频率f处以及一次谐波2f处观察幅度

和

。基频的幅度

与一次谐波的幅度

的比例v在此与静止距离d₀成正比并且与未知的电压U无关。该方法由此使得可以确定基本距离或静止距离d₀。

2.在测量步骤中在振动的测量电极2处形成再充电电流I的有效值<I>。在测量电极2处的再充电电流<I>与未知的电势U之间存在比例关系。所属的比例因子（典型的是电容C）事先在校准步骤1中被确定。

该方法因此允许利用振动的电极无接触地测量未知的电势，所述振动的电极横向于所述未知的电势地运动。在此，振动频率明显高于与时间有关的电压U(t)的待测量的最大频率。此外，对在振动的测量电极2处出现的再充电电流I进行谱分析，以确定测量电极2与测量对象（线路1）之间的基本距离d₀。在该校准之后，在测量运行中使用再充电电流I来推断未知的电势U。

附图标记列表

1 线路

2 测量电极

3 测量设备

4 放大器

5 弹簧

d 距离

d₀ 静止距离

 振动幅度

U 电压

I，I₁，I₂ 再充电电流

 再充电电流的幅度

<I> 有效的再充电电流

f 频率

C 电容

v,v₁,v₂ 比例

 介电常数

K1 曲线

K2 曲线

S 曲线

P1 点

P2 点

r 振动方向

E 电场

U₀ 电压

R 电阻

t 时间

A 面积

 角频率

Claims (9)

1.用于无接触地确定对象（1）的电势（U）的方法，包括步骤：

a)提供可机械振动运动地构造的电极（2），所述电极在空间上与所述对象（1）有距离（                                                

）；

b)将该电极（2）置于机械振动（f）中；

c)确定所述电极的充电状态的时间变化（I）；

d)求得在所述充电状态的时间变化（I）中的至少两个频率分量（f，2f）的幅度(

；

e)借助所求得的幅度(

确定进入由电极（2）和对象（1）构成的装置的电容（C）的值中的至少一个参数(,

)；

f)借助所确定的参数(

,)求得由电极（2）和对象（1）构成的装置的电容（C）；以及

g)从所确定的充电状态的变化（I）和所求得的电容（C）中求得所述电势（U）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤：

d1)确定在第一频率（f）时的第一幅度(

；

d2)确定在第二频率（2f）时的第二幅度(

，所述第二频率的值是所述第一频率（f）的值的整数倍；以及

e1)从第一幅度(

与第二幅度(

的比例（v）中确定电极（2）至对象（1）的静止距离（

）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤e)中通过数学关系和/或校准曲线（K1）确定所述至少一个参数(

,

)。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在步骤b)中将电极（2）置于机械振动中，使得所述电极的振动方向（r）与通过对象（1）的电势（U）导致的电力线（E）平行地延伸。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在步骤c)中通过测量再充电电流（I）来确定电极（2）的充电状态的时间变化。

6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在步骤g)中通过数学关系和/或校准曲线（K2）从所确定的充电状态的变化（I）中求得所述电势（U）。

7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述电势（U）可随时间变化并且能通过电振动频率表征，以及所述电极（2）在步骤b)中被置于机械振动中，使得所属的机械振动频率(f)大于该电振动频率。

8.用于无接触地确定对象（1）的电势（U）的设备，包括：

-能够与对象（1）在空间上有距离（

）地布置的可机械振动运动地构造的电极（2）；

-测量设备（3），其被构造为确定所述电极（2）的充电状态的时间变化（I）；以及

-分析设备，其被构造为求得在所述充电状态的时间变化（I）中的至少两个频率分量（f，2f）的幅度(

，借助所求得的幅度(

确定进入由电极（2）和对象（1）构成的装置的电容（C）的值中的至少一个参数(

,

)，借助所确定的参数(

,

)求得由电极（2）和对象（1）构成的装置的电容（C），并且从所确定的充电状态的变化（I）以及所求得的电容（C）中求得所述电势（U）。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述电极（2）被构造为导电板，该导电板基本上能在板法线的方向(r)上振动运动，并且该板与构造为电流测量设备的测量设备（3）电连接。

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