CN103460058B - 通过电流的两个不同值无接触地确定对象的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_unbekannt）的方法，具有步骤：提供与对象（1）在空间上间隔开的电极（2），其特征在于步骤：将电极（2）与参考电势（U_ref）相连接；在电极（2）与对象（1）之间的电流的第一值的情况下确定电极（2）的充电状态的第一时间变化（I₁）；在电极（2）与对象（1）之间的电流的第二值的情况下确定电极（2）的充电状态的第二时间变化（I₂）；至少从充电状态的第一时间变化（I₁）和第二时间变化（I₂）以及从所述电流的第一值和第二值的差求得对象（1）的电势（U_unbekannt）。

Description

通过电流的两个不同值无接触地确定对象的电势的方法以及设备

技术领域

本发明涉及在使用一个电极或者第一和第二电极的情况下无接触地确定对象的电势的方法以及设备。

背景技术

无接触地测量通过对象的电流是已知的。这可以经由感应耦合、霍尔效应或者GMR（巨磁阻）效应来进行。然而为了能够无接触地测量电功率，除了无接触的电流测量以外还需要用于无接触的电势测量的方法。无接触的电势测量、尤其是高电压的无接触的电势测量首先在智能仪表、智能电网和响应需求策略的领域中具有特殊意义。

所谓的电场计提供了对此的一种可能性。所述电场计利用感应效应，以能够经由所求得的电场强度来推断出要确定的电压。然而，为此必须精确地已知在应当确定其电势的对象与电场计的测量电极之间的间隔以及测量电容中在测量电极与对象之间的材料（电介质）。为了也能够利用电场计来测量直流电压，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）。

对于纯交流电压的确定来说还可以使用电容分压器，其中在这里同样必须已知参考电极与要测量的电势之间的耦合电容。

两种方法或设备（电场计和电容分压器）的前提条件是对要测量的电压的耦合的确切认识，尤其是对测量电极与测量对象之间的间隔的确切认识。就此而言，这些已知方法对于仅仅临时的测量过程或者事后的测量安装来说是不合适的。电场计和电容分压器被固定安装用于精密测量并且在安装环境中被校准。在手持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、水汽等）的精确认识。为此在市场上常见的电场计的情况下例如使用专门的垫片。然而，垫片所具有的缺点是，其尤其是对于电绝缘线路的电势确定来说不直接放置在导电材料上并且因此只能不够精确地设定所述间隔。此外，绝缘材料的类型不能被考虑。如果已知的无接触的电势测量方法的精密性不足，则通常必须有接触地进行测量。

发明内容

本发明的任务是，提供一种方法以及一种设备，利用所述方法和设备也可以在首先未知耦合电容的情况下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、具有权利要求4的特征的方法、具有权利要求12的特征的设备、以及具有权利要求13的特征的设备来解决。

本发明的第一方法用于无接触地确定对象的电势并且包括如下步骤：

-提供与对象在空间上间隔开的电极；

-将电极与参考电势相连接；

-在电极与对象之间的电流的第一值的情况下确定电极的充电状态的第一时间变化；

-在电极与对象之间的电流的第二值的情况下确定电极的充电状态的第二时间变化；

-至少从充电状态的第一时间变化和第二时间变化以及从所述电流的第一值和第二值的差求得对象的电势。

该方法允许对于对象电势的确定来说不需要事先知道电极距对象的间隔和/或电极与对象之间的（例如电缆绝缘装置的材料的）介电常数。该方法尤其是包括子步骤，所述子步骤可以理解为自动校准的步骤。由此可以取消测量设备相对于对象的精确的机械调准或定义的固定安装。还可以补偿测量结构的动态变化（温度影响、压力改变、湿度等以及由此引起的间隔或介电常数的改变）。提供了一种用于无接触电势测量的稳健的和可通用的方法。

可以将电极与对象之间的电流的第一值和第二值理解为适于表征该电流的每个值。所述值尤其可以是相对于参考电势的电极电压。电场强度例如也可以用作值。在电极与参考电势之间流动的再充电电流的值也可以推断出电极与对象之间的电流。施加在电极上的参考电势例如可以表示表征电流的值的参量。于是尤其是可以通过使在电流的第一值情况下的第一参考电压和在电流的第二值情况下的第二参考电压相减来形成表征电流的值的差。电极与对象之间的电流的值尤其是可以通过电极与对象之间的间隔变化和/或电极与对象之间的材料的介电常数的变化和/或经由参考电势对电极的活跃充电来进行。

优选地，通过将电极定位在距对象第一间隔处并且将参考电势设定到第一电势值来设定电极与对象之间的电流的第一值。然后，通过将电极定位在距对象第一间隔处并且将参考电势设定到与第一电势值不同的第二电势值来设定电极与对象之间的电流的第二值。由于相同间隔情况下的不同电势值，设定了两个不同的电场强度，使得通过对这些电场强度求差在计算中去掉了未知的电场强度。这允许也可以在不明确知道对象与电极之间的间隔和/或电极与对象之间的媒介中的电常数的情况下计算由对象和电极构成的装置的电容。总体上，测量流程非常简单并且未知的电容可通过参考电势改变来确定。

替换地可以规定，通过将电极定位在距对象第一间隔处并且将参考电势设定到第一电势值来设定电极与对象之间的电流的第一值，并且通过将电极定位在距对象第二间隔处并且将参考电势设定到第一电势值来设定电极与对象之间的电流的第二值，其中所述第二间隔与第一间隔不同。也就是同一电极被先后定位在距对象两个不同的间隔处，其中参考电势在电极处保持恒定。于是又提供了两个合适的值，这两个值允许求得电容器装置的未知电容以及随后求得未知电势。

本发明的第二方法用于无接触地确定对象的电势并且包括如下步骤：

-提供与对象在空间上间隔开的第一电极和第二电极；

-将第一电极与第一参考电势连接并且将第二电极与第二参考电势连接；

-在第一电极与对象之间的电流的第一值的情况下确定第一电极的充电状态的第一时间变化；

-在第二电极与对象之间的电流的第二值的情况下确定第二电极的充电状态的第二时间变化；

-至少从充电状态的第一时间变化和第二时间变化以及从所述电流的第一值和第二值的差求得对象的电势。

与本发明的第一方法不同，根据本发明的第二方法现在提供第一和第二电极。于是对于第一电极与对象之间的电流的不同值的设定来说，唯一电极处的参数不再需要变化。更确切地说，通过第一电极及其与对象的相对布置可以设定第一参数，并且通过第二电极可以设定第二参数，所述第一参数和第二参数允许一起推断出电极与对象之间的耦合电容。根据该方法，对象电势的确定必要时可以比根据第一方法更快地运行。提供了用于执行该方法的稳健的和快速工作的装置。

优选地，通过将第一电极定位在距对象第一间隔处并且将第一参考电势设定到第一电势值来设定第一电极与对象之间的电流的第一值。然后通过将第二电极定位在距对象第一间隔处并且将第二参考电势设定到与第一电势值不同的第二电势值来设定第二电极与对象之间的电流的第二值。

替换地可以规定，通过将第一电极定位在距对象第一间隔处并且将第一参考电势设定到第一电势值来设定第一电极与对象之间的电流的第一值。然后规定，通过将第二电极定位在距对象第二间隔处并且将第二参考电势设定到第一电势值来设定第二电极与对象之间的电流的第二值，其中所述第二间隔与第一间隔不同。替换地也可以有其他组合，其中例如第一电极和第二电极采取距对象的不同间隔并且此外被置于不同的参考电势。在测量方法的该构型中得出多个自由度。在任何一个测量方法中都不需要知道电极之一距对象的绝对间隔。

第一和第二电极不必被构造为相同的。尤其是可以仅须已知在两个电极之间的影响电容的参量之间的关系。如果例如第一电极具有不同于第二电极的电极面积，则所述电极之一的电极面积必要时必须是绝对已知的并且清楚第二电极的面积与第一电极的面积存在什么关系。但是特别优选的是，第一电极和第二电极被相同地构造。于是，借助于在同一时刻分别具有不同参数值的两个电极的测量方法与利用在两个不同时刻分别具有不同参数的仅仅一个唯一电极的测量执行是等效的。但是，利用两个电极的测量可以更快地进行，并且必要时不需要可时变的部件和可移动的构件。

优选地，通过测量再充电电流来确定至少一个电极的充电状态的时间变化。所述再充电电流尤其是可以通过布置在电极与参考电势载体之间的电流测量设备来测量。该测量可以非常精确地进行。

优选地，至少一个电极与放大器的第一输入端电连接，并且参考电势与放大器的第二输入端电连接，以及放大器的输出端与第一输入端电连接。该测量装置特别有利于在电极处设定定义的参考电势。

优选地，借助于所述方法确定对象的可时变的电势。于是可以取消场光阑或斩波器。

但是替换地也可以规定，在至少一个电极与对象之间布置旋转的叶轮（斩波器）和/或布置场光阑和/或遮板，并且确定对象的时间恒定的电势。借助于叶轮可以周期性地产生无场的参考状态，该参考状态在静态电势时也允许通过感应原理进行测量。所述方法通过这种方式是可以特别通用的。

本发明的第一设备用于无接触地确定对象的电势并且包括可在空间上与对象间隔开地布置的电极。该设备还包括电势提供器，其与电极电连接；和分析单元，其被构造用于在电极与对象之间的电流的第一值的情况下确定电极的充电状态的第一时间变化并且在电极与对象之间的电流的第二值的情况下确定电极的充电状态的第二时间变化，并且至少从充电状态的第一时间变化和第二时间变化以及从所述电流的第一值和第二值的差确定对象的电势。

本发明的第二设备同样用于无接触地确定对象的电势并且包括能与对象在空间上间隔开地布置的第一电极和第二电极。该设备还包括第一电势提供器，其与第一电极电连接；第二电势提供器，其与第二电极电连接；和分析单元，其被构造用于在第一电极与对象之间的电流的第一值的情况下确定第一电极的充电状态的第一时间变化，并且在第二电极与对象之间的电流的第二值的情况下确定第二电极的充电状态的第二时间变化，并且至少从充电状态的第一时间变化和第二时间变化以及从所述电流的第一值和第二值的差确定对象的电势。

参照本发明方法描述的优选实施方式及其优点相应地适用于本发明设备。

附图说明

根据实施例在下面详细阐述本发明。其中：

图1示出根据第一实施例无接触地确定电势的设备的示意图；和

图2示出根据第二实施例无接触地确定电势的设备的示意图。

在图中，相同的和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，应当确定其未知的电势U_unbekannt。为此在（未知的）间隔d处布置测量电极2。线路1与测量电极2一起构成具有电容C的电容器。在该实施例中假设是简单的平板电容器，其内部空间充满电场E。此外，所述未知的电势U_unbekannt在该实施例中是可时变的交流电势。平板间隔d以及在测量电极2与线路1之间存在的媒质的介电常数ε都不是精确已知的。因此应用了这样的方法，利用所述方法在不知道这些参量的情况下也可以确定未知的电势U_unbekannt。

测量电极2不是电绝缘的，而是与测量装置电连接。由于测量电极2中的感应作用引起的再充电电流I因此可以被测量。替换地也可以求得输出电压U_out。为此设置具有放大器4的测量装置，该放大器4具有第一输入端3a和第二输入端3b以及输出端5。测量电极2与放大器4的第一输入端3a电连接，而电势提供器6与第二输入端3b电连接。此外，输出端5经由电阻R与第一输入端3a电连接。经由电势提供器6可以在测量电极2处设定参考电势U_ref。根据所设定的参考电势U_ref的强度，充斥在电容器中的电场E被至少部分地补偿或者加强。通过这种方式，电容器具有可变电容C。

根据图1的实施例，未知的电势U_unbekannt的测量通过借助于电势提供器6设定两个不同的参考电势U_ref1和U_ref2来进行。间隔d在此情况下保持不变。得出下面的物理关系：

-对于电容器板之间的电势差来说有：

-分别流过的再充电电流I为：

-对于再充电电流I₁和I₂的差得出：

-因此可以从两个测量点推断出耦合电容C：

。

在该推导中假定刚性的相位关系，所述相位关系可以通过跟踪U_ref相对于I的相位来实现。配备有上标（^）的参量在此是再充电电流I或参考电势U_ref的幅度。

该推导仅仅是参考测量的一种可能的分析变型。其尤其适用于正弦形的电压变化曲线。在更复杂信号的情况下也可以设想完全去耦合的参考信号（例如噪声）。该分析于是例如可以经由互相关来进行。

针对图1，再次共同示出主要的物理关系：

ε在此情况下是由线路1和测量电极2构成的电容器装置内的介电常数。A是测量电极2的面积。

根据图1中所示的实施方式，相继在同一测量电极2处利用不同的参考电势U_ref1和U_ref2执行至少两次测量。从对分别产生的输出信号的结算中推断出未知的测量电容以及推断出线路1的未知的电势U_unbekannt。

然而替换地也可能的是，U_ref保持恒定并且在两个不同间隔d的情况下执行测量。

在根据图2的实施例中遵循类似的途径，然而其中现在设置两个相同构造的测量电极2a和2b，这两个测量电极2a和2b相对于线路1分别以间隔d₁和d₂布置。测量电极2a和2b中的每一个分别与分析电路连接，该分析电路尤其是包括用于分别设定参考电势U_ref1和U_ref2的第一电势提供器6a和第二电势提供器6b。于是可以在两个测量电极2a和2b处执行同时的测量，以便获得根据上面的等式确定耦合电容C所需的输入参量。

根据图2的实施例，参考电势U_ref1和U_ref2具有相同的值，也就是说参考电势U_ref1=U_ref2。对不同测量参数的所需设定通过彼此不同的间隔d₁和d₂来进行。然而替换地也可以规定，在两个不同测量电极2a和2b处的至少两次测量在相同间隔（d₁=d₂）和不同参考电势U_ref1和U_ref2的情况下必要时同时执行。两种方法的组合也是可能的。于是，测量电极2a和2b如在图2中所示分别那样位于距线路1的不同间隔d₁和d₂处，并且也在测量电极2a和2b处分别设定彼此不同的参考电势U_ref1和U_ref2。即使这样，两次所需测量的同时执行也是可能的。

也就是总而言之，针对至少两次参考测量或校准测量进行参考电势U_ref或间距d的变化。通过测量在相应的参考电势U_ref或间距d情况下的感应作用，分别获得所属的输出信号（测量电极2处的再充电电流I或者输出电压U_out）。从至少两个这样的输出信号的结算中可以推断出要测量的电势U_unbekannt或推断出耦合电容C，而不需要精确知道耦合电容C或电容器中的装置的几何尺寸和材料特性。

附图标记列表

1线路

2，2a，2b测量电极

3a，3b输入端

4放大器

5输出端

6,6a，6b电势提供器

U_unbekannt电势

电势的幅度

d，d₁，d₂间隔

参考电势

参考电势的幅度

I，I₁，I₂再充电电流

再充电电流的幅度

输出电压

R电阻

E电场

C电容

A面积

ε介电常数

电势差。

Claims (6)

1.用于无接触地确定对象（1）的电势（U_unbekannt）的方法，具有步骤：

-提供与对象（1）在空间上间隔开的电极（2），

-将电极（2）与参考电势（U_ref）相连接；

-在电极（2）与对象（1）之间的电流的第一值的情况下确定电极（2）的充电状态的第一时间变化（I₁）；

-在电极（2）与对象（1）之间的电流的第二值的情况下确定电极（2）的充电状态的第二时间变化（I₂）；

-至少从充电状态的第一时间变化（I₁）和第二时间变化（I₂）以及从所述电流的第一值和第二值的差求得对象（1）的电势（U_unbekannt）；

其特征在于步骤：

-通过将电极（2）定位在距对象（1）第一间隔（d₁）处并且将参考电势设定到第一电势值（U_ref1）来设定电极（2）与对象（1）之间的电流的第一值；

-通过将电极（2）定位在距对象（1）第一间隔（d₁）处并且将参考电势设定到与第一电势值（U_ref1）不同的第二电势值（U_ref2）来设定电极（2）与对象（1）之间的电流的第二值。

2.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，通过测量再充电电流（I，I₁，I₂）来确定至少一个电极（2，2a，2b）的充电状态的时间变化。

3.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，至少一个电极（2，2a，2b）与放大器（4）的第一输入端（3a）电连接，并且参考电势（U_ref）与放大器（4）的第二输入端（3b）电连接，以及放大器（4）的输出端（5）与第一输入端（3a）电连接。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定对象（1）的可时变的电势（U_unbekannt）。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在至少一个电极（2，2a，2b）与对象（1）之间布置旋转的叶轮，并且确定对象（1）的时间恒定的电势（U_unbekannt）。

6.用于无接触地确定对象（1）的电势（U_unbekannt）的设备，具有能与对象（1）在空间上间隔开地布置的电极（2），和

电势提供器（6），其与电极（2）电连接；和分析单元，其被构造用于在电极（2）与对象（1）之间的电流的第一值的情况下确定电极（2）的充电状态的第一时间变化（I₁）并且在电极（2）与对象（1）之间的电流的第二值的情况下确定电极（2）的充电状态的第二时间变化（I₂），并且至少从充电状态的第一时间变化（I₁）和第二时间变化（I₂）以及从所述电流的第一值和第二值的差确定对象（1）的电势（U_unbekannt），

其特征在于，

通过将电极（2）定位在距对象（1）第一间隔（d₁）处并且将与电极（2）连接的参考电势设定到第一电势值（U_ref1）能设定电极（2）与对象（1）之间的电流的第一值；并且通过将电极（2）定位在距对象（1）第一间隔（d₁）处并且将参考电势设定到与第一电势值（U_ref1）不同的第二电势值（U_ref2）能设定电极（2）与对象（1）之间的电流的第二值。