CN103582821B - 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

技术领域

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。

背景技术

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。

EP 1 249 706 A2 描述了一种无接触测量电压的方法，用于使用具有可以遮盖使导体绝缘的绝缘部的一部分表面的检测电极以及用于遮盖检测电极的屏蔽电极的检测探针来测量施加在导体上的交流电压，并且描述了一种用于输出信号的振荡器，其中分别将屏蔽电缆的芯电缆和包套电缆的一个端部与检测电极或者与屏蔽电极相连，并且其中基本上通过分别在芯电缆和包套电缆的另一端部之间形成虚短路状态来消除无电位电容的影响。

WO 2008/009906 A1 描述了一种用于确定电位的传感器，具有至少一个与测试中的样本电容耦合并且产生测量信号的检测电极、用于产生振荡器输出并且该振荡器输出具有与测量信号频率相等的频率的振荡器、以及反馈装置，该反馈装置对振荡器输出作出反应以便产生反馈参考信号，从而在传感器放大器输入端上施加一致的反馈。

US 2006/058694 A1 公开了一种电动力传感器，具有一对用于检测源自于待测试对象的电位并且用于产生检测信号的输入探针。此外该传感器还包括具有放大器并且用于接收检测信号和提供测量信号的电位计。

US 6 531 880 B1 描述了一种无接触式电缆测试仪，具有用于检测由电缆输出的电场的传感器。在此，将传感器信号与预先确定的阈值进行比较，从而确定流过电缆的电能。

此外 US 2007/086130 A1 还描述了一种利用分别呈圆形布置在导体周围的第一组和第二组电容式电压传感器来确定导体中的交流电压的装置。

US 5 473 244 A 公开了一种无接触测量电导体中的电压、电流和功率的装置。该装置包括若干电容式传感器构成的装置，利用这些传感器可以根据通过电导体所产生的电场提供传感器信号。在此也可以检测电导体中的直流电压，其方法是连续移动电容式传感器的电极。

FR 2 924 814 A 和 EP 0 398 396 A2 描述了用于测量电压的系统。这些系统均包括可以用来在多相系统中检测电压的电容式传感器。

US 4 611 207 A 公开了一种用于测量电压的装置，该装置具有可以被布置在高压架空线上的环形外壳。

发明内容

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。

通过具有本发明所述特征的一种装置、一种测电钳以及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以用于将施加在电极上的参考电位改变为终值，从而当电极与对象有距离时在电极与参考电位载体之间流动的再充电电流在终值时消失，以及用于根据该终值确定对象的电位，并且具有用于周期性改变布置在对象与电极之间的场遮蔽片的布置的装置，使得在第一时刻在电极与对象之间形成电场并在第二时刻通过场遮蔽片屏蔽电场（E），其中能够利用电位调节器确定对象随时间恒定的电位。

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。

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取得电功率。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，电极（2）与参考电位载体之间流动的再充电电流在终值时消失；

- 通过测量终值确定对象的电位，

- 周期性改变布置在对象与电极之间的场遮蔽片的布置，使得在第一时刻在电极与对象之间形成电场并在第二时刻通过场遮蔽片屏蔽电场（E），以及

- 确定对象随时间恒定的电位。

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。

附图说明

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。

具体实施方式

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。∆U 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：

∆U = U_未知 - U_参考

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

∆U 电位差

C 电容

P 电功率。

Claims (9)

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）和电位调节器（7），所述电位调节器与电极（2）电连接，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）时在电极（2）与参考电位载体之间流动的再充电电流在终值（U_未知）时消失，以及用于根据该终值（U_未知）确定对象（1）的电位（U_未知），

其特征在于用于周期性改变布置在对象（1）与电极（2）之间的场遮蔽片（9）的布置的装置，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），其中能够利用电位调节器（7）确定对象（1）随时间恒定的电位（U_未知）。

2.根据权利要求 1 所述的装置（6），其特征在于，利用电位调节器（7）能够根据再充电电流确定电极（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.根据权利要求 3 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。

6.根据权利要求1或2中任一项所述的装置（6），其特征在于，电场测量仪和/或电容分压器包括电极（2）。

7.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，该测电钳具有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）。

8.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），在电极（2）与参考电位载体之间流动的再充电电流在该终值时消失；

通过测量所述终值（U_未知）确定对象（1）的电位（U_未知），

其特征在于，

周期性改变布置在对象（1）与电极（2）之间的场遮蔽片（9）的布置，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），以及

确定对象（1）随时间恒定的电位（U_未知）。

9.根据权利要求 8 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）。