CN103582821A - 用于无接触确定对象的电位的装置、测电钳以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于无接触确定对象(1)的电位(U_未知)的装置(6)，包括电极(2)，具有电位调节器(7)，所述电位调节器与电极(2)电连接并且被构造用于将施加在电极(2)上的参考电位(U_参考)改变为终值(U_未知)，从而当电极(2)与对象(1)有距离(d)时对象(1)与电极(2)之间的电场(E)在终值(U_未知)时消失，并且根据终值(U_未知)确定对象(1)的电位(U_未知)。

Description

用于无接触确定对象的电位的装置、测电钳以及方法

本发明涉及一种具有电极的无接触确定对象电位的装置。本发明也涉及具有这种装置的测电钳。最后本发明还涉及一种用于无接触地确定对象电位的方法。

无接触地测量流过对象的电流是已知的。可通过感应耦合、霍尔效应或者GMR效应(巨磁电阻效应)进行测量。但是为了能够无接触测量电功率，除了无接触测量电流之外也需要一种无接触测量电位的方法。无接触电位测量(尤其是高电压的电位测量)尤其是在智能抄表、智能电网和响应-需求策略领域中有特别重要的意义。

所谓的电场测量仪提供对此的一种可能性。电场测量仪利用感应效应，以便能通过所求得的电场强度来推断待确定的电压。但是为此必须精确已知应确定其电位的对象与电场测量仪的测量电极之间的距离以及在测量电容中、测量电极与对象之间的材料(电介质)。为了也能使用电场测量仪测量直流电压，通常在测量电极与对象之间采用斩波器(叶轮)形式的遮蔽器(场遮蔽片)。

也可以用电容分压器来确定纯交流电压，这里同样必须已知参考电极与待测电位之间的耦合电容。

这两种方法或装置(电场测量仪和电容分压器)均以准确知道与待测电压的耦合为前提条件，尤其要知道测量电极与测量对象之间的距离。就此而言，这些已知的方法不适合于临时的测量过程或者事后的测量安装。电场测量仪和电容分压器为了精确测量需要固定安装并且在安装环境中加以校准。在手持式测量设备的情况下，需要精确知道测量结构的几何特性和材料特性(导线绝缘，空气，燃气，水蒸汽等等)。为此若为市面上常见的电场测量仪例如使用专门的垫片。但是垫片存在以下缺点，即垫片尤其不直接放置在导电材料上以确定电绝缘导线的电位，因此只能以不够充分的精度调整距离。此外还无法考虑绝缘材料的类型。如果已知的无接触电位测量方法的精度不够充分，则通常必须进行接触测量。

本发明的任务在于提供即使在耦合电容首先未知的情况下也能用来进行无接触电位测量的一种方法以及一种装置。

通过具有权利要求1所述特征的一种装置、具有权利要求8所述特征的一种测电钳以及具有权利要求9所述特征的一种方法，来解决这一任务。

本发明所述的装置用于无接触地确定对象电位，并且包括电极以及电位调节器，所述电位调节器与电极电连接并被构造为将施加在电极上的参考电位改变为终值，使得当电极与对象相隔一定距离时使得在终值时对象与电极之间的电场消失，并且根据终值确定对象的电位。

在终值已知的条件下测出电场消失，可以直接推断待确定的电位。以这种方式实现了一种补偿方法，在该补偿方法中尤其将电极恰好提高到这样的电位，使得电极与对象之间的空间变得没有电场。将测量电极上的电位提高到对象的待确定电压，就能实现该补偿。对于该测量尤其不需要知道电极与对象之间的距离或耦合电容。可以不必费力确定该距离或者介电常数。但这种测量类型仍然非常可靠并且精度很高。为了在电极上施加补偿所需要的电压，仅需极小的功率。技术实现可简单实施。不需要直接接触待测对象。因此对测量对象的干扰或干预仅最小地进行。即使对于难以接近的对象，该装置也可确定其电位。

电位调节器优选被构造为确定电极充电状态随时间的改变，并且根据所确定的充电状态改变参考电位，使得充电状态随时间的改变在达到终值时消失。尤其可以通过测量在电极与参考电位载体之间流动的再充电电流来确定充电状态随时间的改变。如果对象与电极之间没有电场，则已达到了静止状态，并且不再有再充电电流流动。因此测量再充电电流即可有说服力地推断出电极与对象之间的电场，并且可以很容易识别补偿情况。例如当再充电电流变为零时，只需测量或者读取施加在电极上的电压，并且确定对象的电位。

所述装置优选包括具有第一和第二输入端以及输出端的放大器，其中电极与第一输入端电连接，电位调节器与第二输入端电连接，并且第一输入端与输出端电连接。以这种方式实现了一种适宜的以及可简单和不复杂实现的测量装置，可以通过该测量装置非常简单地调节电极的参考电位。可以特别可靠地测量对象的电位。

电位调节器优选包括调节装置，该调节装置被构造为测量输出端上的电位，并且根据测量的电位调节第二输入端上的参考电位，使得在输出端上测量的电位值在其绝对大小方面一直减小到零值。尤其可以测量输出端上的电位值作为相对于地的电压。可以通过调节装置跟踪参考电位的各个主导值，使得参考电位一直提高到对象的电位值。以这种方式实现了一种可靠而且也非常迅速的测量方法，因为迅速达到终值。

所述装置优选包括被构造为周期性改变场遮蔽片的布置使得在第一时刻在电极与对象之间形成电场并且在第二时刻通过场遮蔽片屏蔽电场的装置。以这种方式使得电位调节器优选被构造为确定随时间恒定的对象电位。尤其可以将场遮蔽片构造为遮蔽器和/或者叶轮(斩波器)的形式。实现了一种确定对象的直流电位的可靠方法。然后优选明显快于通过场遮蔽片改变电场屏蔽地改变施加在电极上的参考电位。因此测量频率尤其明显大于叶轮的旋转频率。

然后场遮蔽片优选与第二输入端电连接。由于在这种情况下场遮蔽片尤其具有与电极相同的参考电位，因此实现了特别好的无电场性，从而提供有说服力的背景作为参考以正确确定对象电位。

电极优选被电场测量仪和/或者电容分压器所包括。

本发明所述的测电钳可用于无接触确定流过对象的电流，并且包括本发明所述的装置以及分析单元，所述分析单元被构造为根据利用测电钳确定的电流值和利用所述装置确定的电位值求得电功率。以这种方式给由现有技术已知的用于无接触测量电流的测电钳增添无接触测量电压的功能。以这种方式能得到特殊的协同效应，因为现在也可以根据无接触确定的电流值和无接触确定的电位值，利用所设置的分析单元无接触确定电功率。

在此情况下无论是测量电流还是测量电压，均不需要准确知道测电钳与测量对象的耦合。实现了一种用于完全无接触测量功率的装置。

本发明所述的方法用于无接触确定对象的电位，并且包括以下步骤：

-提供与对象相隔一定距离的电极；

-将电极与参考电位相连；

-使参考电位改变到终值，对象与电极之间的电场在终值时消失；

-通过测量终值确定对象的电位。

对象的电位优选可随时间改变，并且在此情况下可以通过第一改变速率表征。然后优选使得参考电位以大于第一速率的第二速率被改变为终值。如果是交流电流流过的对象，则对象上的电位也会随时间改变。然后有利地设置调节装置，通过该调节装置足够快地跟踪电极上的参考电压来补偿电场，并且使该参考电压与对象上的交变电位保持同步。这种情况下可使得测量误差保持得特别小。

参照本发明的装置示出的优选实施方式及其优点对应地适用于本发明的测电钳以及本发明的方法。

以下将根据实施例对本发明进行详细解释。

图1A示出根据现有技术的测电钳；

图1B示出根据本发明的一种实施例的测电钳；

图2示出利用补偿电场确定未知电位的装置的示意图；以及

图3示出与图2对应的装置，但是具有用来确定直流电压的场遮蔽片。

在这些图中，相同或者功能相同的元件均具有相同的附图标记。

图1A所示为在电流流过的导线1上进行无接触电流测量的测电钳10。为此测电钳10被设置在导线1周围，但是并不接触该导线。圆圈中示出的“A”表示根据现有技术的测电钳10只能测量电流。

而根据本发明的一种实施例的测电钳10除了能够测量电流之外，也能够实现电压并由此实现功率的无接触测量。这通过圆圈中示出的字母“V”和“P”予以表示。为此在测电钳10中设置电压测量装置6，以下将对其进行详细解释。

图2所示的导线1表示应确定其电位U_未知的对象。为此将测量电极2定位在与导线1距离为d处。应强调的是距离d未知。测量电极2通过第一输入端3a与放大器4相连。在放大器4的第二输入端3b上存在由电位调节器7所提供的参考电压U_参考。电位调节器7还与放大器4的输出端5电连接。此外还通过电阻R将该输出端5与第一输入端3a电连接。以这种方式保证测量电极2上也施加参考电压U_参考。最后还提供可以用来确定施加在输出端5与地之间的输出电压U_输出的构件。最后电位调节器7也包括调节器8，以下还将详细讨论其功能。

在最简单的近似下，可以将通过导线1和测量电极2构造的电容器装置描述为具有在板之间占主导的电场E的平板电容器。该平板电容器的电容为C；测量电极2的面积为A；导线1与测量电极2之间的介质的介电常数为ε。ΔU是测量电极2与导线1之间的电位差。于是适用以下物理关系：

$C=\frac{\mathrm{\ϵ}\·A}{d}$

ΔU＝U_未知-U_参考

$E=\frac{\mathrm{\ΔU}}{d}$

$I=C\frac{d\left(\mathrm{\ΔU}\right)}{\mathrm{dt}}$

$U_{\mathrm{out}}=-R\·I=-\mathrm{RC}\·\frac{d\left(\mathrm{\ΔU}\right)}{\mathrm{dt}}$

I在此情况下是在测量电极2与放大器4之间流动的再充电电流。

测量原理现在在于，调节器8提高参考电位U_参考，使其等于待测量的电位U_未知。为此可以规定，调节器8将参考电压U_参考重新调节到输出电压U_输出＝0。因为如果实现输出电压U_输出消失、也就是采取零值的状况，则参考电压U_参考恰好等于电位U_未知。然后就可以测量参考电压U_参考，其中测量值正好等于电位值U_未知。但是即使不测量必要时也已知在电位调节器7上调节出什么样的参考电压U_参考，从而可以根据该已知推断出电位U_未知。

但是也可以替换地规定，在调节器8中检测再充电电流I并且一直重新调节参考电压U_参考，直至再充电电流I消失，也就是达到零值。

该测量思路基于这样的认识：当导线1和测量电极2上的电压相同时(即U_未知＝U_参考)，测量电极2与导线1之间的电场E恰好消失。因此测量过程就在于补偿(例如电场测量仪或者电容分压器的)测量电极2上的待测电压U_未知。由此即使并不精确知道测量电极2的空间布置，也可以测量电压，也就是测量U_未知。由此可以临时和事后安装而不需要接触带电导线1。

在图2的实施例中，U_未知是交流电压。因此通过感应作用同样会在测量电极2中引起交流再充电电流I。然后通过调节器8进行调节的速度必须明显快于待测电压U_未知的最高待测频率分量，以便能正确跟踪电压U_参考。

图3所示为另一实施例，在该实施例中基本上实现了图2所示的装置，但是增加了构造为可运动的场遮蔽片9。将场遮蔽片9布置在测量电极2和导线1之间，该导线处于随时间恒定的电位U_未知。在本实施例中通过所谓斩波器的叶轮的叶片实现该可运动的场遮蔽片。这些叶片均与第二输入端3b相连，因此同样被置于参考电压U_参考。当叶片位于测量电极2和导线1之间时，就会与电位U_未知的值无关地相对于测量电极屏蔽电场E，并由此实现测量背景或者针对测量过程的参考状况。相反，如果调整叶轮，使得在测量电极2和导线1之间露出间隙，则不再屏蔽电场E，并且可以如结合图2所述进行测量。以这种方式也可以将所述的方法用于测量直流电压U_未知。调节器8的调节频率于是应当高于斩波器或者场遮蔽片9的频率。与通过测量电压U_测量所示的一样，在图3的实施例中明确测量各个所调节的参考电压U_参考：U_测量＝U_参考。

附图标记清单

1       导线

2       测量电极

3a，3b  输入端

4       放大器

5       输出端

6       电压测量装置

7       电位调节器

8       调节器

9       场遮蔽片

10      测电钳

U_未知    电位

d       距离

I       再充电电流

R       电阻

U_输出    输出电压

U_测量    测量电压

U_参考    参考电压

E       电场

A       面积

ε      介电常数

ΔU     电位差

C       电容

P       电功率

Claims (10)

1.用于无接触确定对象(1)的电位(U_未知)的装置(6)，该装置包括电极(2)，其特征在于电位调节器(7)，所述电位调节器与电极(2)电连接并被构造用于，将施加在电极(2)上的参考电位(U_参考)改变为终值(U_未知)，从而当电极(2)与对象(1)有距离(d)时对象(1)与电极(2)之间的电场(E)在终值(U_未知)时消失，以及根据该终值(U_未知)确定对象(1)的电位(U_未知)。

2.根据权利要求1所述的装置(6)，其特征在于，电位调节器(7)被构造为，确定电极(2)的充电状态(I)随时间的改变，并且根据所确定的充电状态(I)改变参考电位(U_参考)，使得在达到终值(U_未知)时充电状态(I)随时间的改变消失。

3.根据权利要求1或2所述的装置(6)，其特征在于具有第一输入端(3a)和第二输入端(3b)以及输出端(5)的放大器(4)，其中电极(2)与第一输入端(3a)电连接，电位调节器(7)与第二输入端(3b)电连接，并且第一输入端(3a)与输出端(5)电连接。

4.根据权利要求(3)所述的装置(6)，其特征在于，电位调节器(7)包括调节装置(8)，所述调节装置被构造用于测量输出端(5)上的电位(U_输出)，并且根据所测量的电位(U_输出)调整第二输入端(3b)上的参考电位(U_参考)，使得输出端上测量的电位(U_输出)值在其绝对大小(|U_输出|)方面一直减小到零值。

5.根据上述权利要求中任一项所述的装置(6)，其特征在于被构造为周期性改变场遮蔽片(9)的布置以使得在第一时刻在电极(2)与对象(1)之间形成电场(E)并在第二时刻通过场遮蔽片屏蔽电场(E)的装置，并且其特征在于，电位调节器(7)被构造用来确定对象(1)随时间恒定的电位(U_未知)。

6.根据权利要求3或4中任一项以及权利要求5所述的装置(6)，其特征在于，场遮蔽片(9)与第二输入端(3b)电连接。

7.根据上述权利要求中任一项所述的装置(6)，其特征在于，电极(2)被电场测量仪和/或电容分压器包括。

8.用于无接触确定流过对象(1)的电流的测电钳(10)，其特征在于根据上述权利要求中任一项所述的装置(6)以及分析单元，所述分析单元被构造为根据利用测电钳(10)确定的电流值和利用该装置(6)确定的电位(U_未知)值求得电功率(P)。

9.用于无接触确定对象(1)的电位(U_未知)的方法，包括以下步骤：

提供与对象(1)有距离的电极(2)；

将电极(2)与参考电位(U_参考)相连；

将参考电位(U_参考)改变为终值(U_未知)，对象(1)与电极(2)之间的电场(E)在该终值时消失；

通过测量所述终值(U_未知)确定对象(1)的电位(U_未知)。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，对象(1)的电位(U_未知)能随时间变化并且在此情况下能通过第一改变速率表征，并且使参考电位(U_{参 考})以大于第一速率的第二速率改变为终值(U_未知)。

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