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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren einer wechselspannungsführenden Leitung.
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Stand der Technik
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Ein Detektieren von wechselspannungsführenden Leitungen, insbesondere 110 V/230 V Leitungen, wird gegenwärtig beispielsweise mittels handgehaltenen Ortungsgeräten (Multidetektoren) über ein Messen des elektrischen Feldes durchgeführt (AC-Sensor). Dabei wird über eine elektrisch leitende Fläche (Elektrode) eine Potentialdifferenz gegenüber einem Bezugspunkt Erde bzw. Masse gemessen.
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Um eine Genauigkeit und eine Zuverlässigkeit der Detektion zu erhöhen, sind AC-Sensoren bekannt, die mit mehreren der genannten Elektroden arbeiten. Dabei wird üblicherweise an jede einzelne Elektrode ein Verstärker angeschlossen. Die derart gewonnenen Signale werden anschließend mittels Signalverarbeitung verarbeitet und bewertet. Die Verstärker und die Elektroden sollten für eine hohe Detektionsgüte sehr symmetrisch ausgestaltet bzw. aufeinander abgestimmt sein, was aufwendig zu realisieren ist und in der Regel mit Kalibrierungsaufwand verbunden ist.
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WO 2012/146433 A2 offenbart ein Verfahren zum Auffinden eines wechselspannungsführenden Leiters, umfassend die Schritte eines Erfassens eines elektrischen Feldes an einem ersten Messort, eines Erfassens eines magnetischen Feldes am ersten Messort, eines Bestimmens eines zeitlichen Versatzes zwischen den erfassten Feldern, eines Vergleichens des bestimmten zeitlichen Versatzes mit einem Referenzversatz und eines Ausgebens eines Hinweises auf den Leiter in Abhängigkeit des Vergleichs.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für ein verbessertes Detektieren einer wechselspannungsführenden Leitung bereitzustellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung zum Detektieren einer wechselspannungsführenden Leitung, aufweisend:
- – wenigstens eine Erfassungselektrode zum Erfassen eines elektrischen Feldes der Leitung;
- – wenigstens eine schaltbare Elektrode, die mittels einer Schalteinrichtung auf ein undefiniertes Potential und auf ein definiertes Potential schaltbar ist; und
- – wenigstens eine mit der Erfassungselektrode funktional verbundene Verstärkereinrichtung, wobei aus Erfassungsdaten der Erfassungselektrode, die mittels der Verstärkereinrichtung verstärkbar sind, Positionsdaten der Leitung ermittelbar sind.
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Vorteilhaft wird mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein einfaches Design der Vorrichtung insofern realisiert, als lediglich ein einzelner Verstärker erforderlich ist, der einem A/D-Kanal (beispielsweise eines Mikrocontrollers) ein Signal zur Verfügung stellt. Mittels einer einzigen Erfassungselektrode wird gemessen, wobei das elektrische Feld mittels der wenigstens einen schaltbaren Elektrode aktiv verändert wird. Ein Hardwareaufwand für die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf diese Weise vorteilhaft minimiert werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Detektieren einer wechselspannungsführenden Leitung, aufweisend die Schritte:
- – Erfassen einer ersten Feldstärke eines elektrischen Feldes der Leitung mittels einer Erfassungselektrode, wobei eine definiert zur Erfassungselektrode angeordnete schaltbare Elektrode mittels einer Schalteinrichtung auf ein undefiniertes Potential geschaltet ist;
- – Erfassen einer zweiten Feldstärke des elektrischen Feldes der Leitung mittels der Erfassungselektrode, wobei die schaltbare Elektrode mittels der Schalteinrichtung auf ein definiertes Potential geschaltet ist; und
- – Ermitteln von Positionsdaten der Leitung durch Verstärken und Auswerten der erfassten Daten der Feldstärken.
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Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäße Vorrichtung sieht vor, dass die Vorrichtung zwei schaltbare Elektroden aufweist, wobei beide Elektroden ungefähr gleich beabstandet und lateral zur Detektionselektrode versetzt angeordnet sind. Auf diese Art und Weise wird eine Richtungscharakteristik der Detektion realisiert, mittels der vorteilhaft erkannt werden kann, von welcher Seite man sich dem zu detektierenden Objekt nähert. Es steht zu diesem Zweck ein Informationstripel zur Verfügung, wobei unterschiedliche Wirkungen der Schaltelektrode auf das Detektionsobjekt ausgenutzt werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass die Vorrichtung vier schaltbare Elektroden aufweist, die im Wesentlichen orthogonal zueinander um die Detektionselektrode angeordnet sind. Vorteilhaft können auf diese Weise Richtungsverläufe der zu detektierenden Leitungen noch besser ermittelt werden.
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Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die schaltbare Elektrode die Erfassungselektrode im Wesentlichen vollständig ringförmig umschließt. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Information bezüglich einer Tiefenanordnung der zu detektierenden Leitung gewonnen werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Verstärkereinrichtung funktional mit einer Signalisierungseinrichtung verbunden ist. Auf diese Weise können Positionsdaten der detektierten Leitung signalisiert werden, wobei unterschiedliche Signalisierungskonzepte realisierbar sind.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindungslistenvorrichtung sehen vor, dass die Elektroden im Wesentlichen planar ausgebildet sind bzw. dass die Elektroden im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind. Auf diese Weise kann auf einfache Weise eine Ausbildung und Anordnung der Elektroden auf einer herkömmlichen Platine realisiert werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Elektroden dreidimensional ausgebildet sind. Vorteilhaft kann dies dann nützlich sein, wenn z.B. auch ein HF-Sensor auf der Vorrichtung angeordnet ist, wobei auf diese Weise eine gewisse Richtcharakteristik und ein Abschirmungseffekt für den HF-Sensor erreicht werden kann.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Schalteinrichtung ein Halbleiterschalter oder ein Relais ist. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine flexible Ausgestaltung der Schalteinrichtung bereitgestellt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schalteinrichtung im ausgeschalteten Zustand einen Widerstandswert von ca. 5 MΩ bis ca. 20 MΩ, vorzugsweise ca. 10 MΩ aufweist. Durch diese spezifische Dimensionierung des Widerstands der Schalteinrichtung kann vorteilhaft erreicht werden, dass ein signifikanter Unterschied des elektrischen Feldes zwischen den Zuständen der schaltbaren Elektroden sichtbar wird. Auf diese Weise kann eine definierte und gut reproduzierbare Detektionsinformation ermittelt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass wenigstens zwei in definierten Positionen zur Erfassungselektrode angeordnete Elektroden jeweils entweder auf undefiniertes Potential oder auf ein definiertes Potential geschaltet werden. Dies erlaubt ein differenziertes Detektieren von Positionsdaten der Leitung z.B. lateral, in der Tiefe, verlaufsmäßig, usw.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen.
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In den Figuren zeigt:
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1 eine prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Vorrichtung;
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2 prinzipielle Verläufe von Erfassungssignalen;
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3 eine prinzipielle Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 prinzipielle Signalverläufe von weiteren Erfassungssignalen;
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5 ein Blockschaltbild einer Steuerungseinrichtung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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6 ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Detektieren einer wechselspannungsführenden Leitung 50. Die Leitung 50 führt dabei eine Wechselspannung mit 120 V oder 220 V mit Netzfrequenz (z.B. 50 Hz oder 60 Hz). Die Vorrichtung 100 weist eine Elektrodenanordnung mit einer Erfassungselektrode 10 und zwei schaltbaren Elektroden 20, 21 auf, wobei die Erfassungselektrode 10 funktional mit einer Verstärkereinrichtung 40 verbunden ist. Die Verstärkereinrichtung 40 ist funktional mit einer Signalisierungseinrichtung 60 verbunden, mittels der Ergebnisse der Erfassung signalisiert werden können.
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Beispielsweise kann die Signalisierungseinrichtung 60 als eine optische Anzeige und/oder als ein akustischer Melder realisiert werden. Dabei kann auch eine Signalisierung einer Richtung, aus der sich die Vorrichtung 100 an die Leitung 50 annähert, mittels eines Richtungspfeils erfolgen. Denkbar sind an der Signalisierungseinrichtung 60 auch Interfaces bzw. Signalisierungsschnittstellen (nicht dargestellt), mit denen jegliche Art von Datenkommunikation, wie z.B. drahtgebunden, über Funk, über Busse, usw. mit weiteren Geräten durchgeführt werden kann.
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Die Erfassungselektrode 10, die beispielsweise als eine Kupferfläche ausgebildet sein kann, dient dazu, ein elektrisches Feld E der Leitung 50 zu erfassen bzw. zu empfangen. Die Verstärkereinrichtung 40 ist vorgesehen, um das Erfassungsbzw. Detektionssignal der Erfassungselektrode 10 für einen A/D-Kanal eines Mikrocontrollers (nicht dargestellt) aufzubereiten. Die Verstärkereinrichtung 40 ist vorzugsweise als ein mit wenigstens einem Filter beschalteter Operationsverstärker ausgebildet, wobei das Filter den Operationsverstärker auf die zu messende Frequenz des elektrischen Feldes E konfiguriert.
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Die erste schaltbare Elektrode 20 ist mittels einer ersten Schalteinrichtung 30 zwischen einem undefinierten Potential und einem Massepotential umschaltbar. Die zweite schaltbare Elektrode 20 ist mittels einer zweiten Schalteinrichtung 31 zwischen dem undefinierten Potential und einem definierten Potential umschaltbar.
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In der in 1 dargestellten Anordnung sind die Schalteinrichtungen 30, 31 als Hochfrequenz (HF)-Transistoren ausgebildet. Beispielsweise können die Schalteinrichtungen 30, 31 aber alternativ auch als elektromechanische Relais ausgebildet werden. Die Impedanz der Schalteinrichtungen 30, 31 im ausgeschalteten Zustand sollte vorzugsweise hoch sein, d.h. in einem Bereich zwischen ca. 5 MΩ und ungefähr 20 MΩ, vorzugsweise ca. 10 MΩ ausgebildet sein, da nur bei dieser Dimensionierung der Impedanz im ausgeschalteteten Zustand der Schalteinrichtungen 30, 31 gewährleistet ist, dass das elektrische Feld E der wechselspannungsführenden Leitung 50 nicht kurzgeschlossen ist. Für den Fall, dass die Schalteinrichtungen 30, 31 als HF-Transistoren ausgebildet sind, ist dies beispielsweise mit einem Kapazitätswert zwischen Kollektor und Emitter bzw. zwischen Kollektor und Basis in der Größenordnung von ca. 1 pF bis ca. 2 pF realisierbar.
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Günstig ist es, die Elektroden 10, 20, 21 an einem vermuteten Verlauf der zu der detektierenden Leitung 50 ausrichten, um auf diese Weise eine gute Kopplung zwischen dem Feld E der Leitung 50 und den Elektroden 10, 20, 21 zu erhalten.
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Auf diese Weise kann mittels der beiden schaltbaren Elektroden 20, 21 eine erkennbare Änderung des elektrischen Feldes E generiert werden, die mittels einer von einer Verarbeitungseinrichtung (nicht dargestellt) durchgeführten Signalverarbeitung in Positionsdaten der elektrischen Leitung 50 gewandelt werden können.
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2 zeigt prinzipielle Spannungsverläufe einer gemäß den oben erläuterten Prinzipien durchgeführten Messung, bei der die zu detektierende Leitung 50 unter den Elektroden 10, 20, 21 lateral verschoben wurde, wobei die schaltbaren Elektroden 20, 21 erfindungsgemäß geschaltet wurden.
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Man erkennt drei normierte elektrische Spannungsverläufe U1, U2, U3 über einem lateralen Versatz d der Erfassungselektrode 10 gegenüber der zu detektierenden Leitung 50. Bei einem Versatz d = 0 befindet sich die Erfassungselektrode somit im Wesentlichen direkt über der zu detektierenden Leitung 50. Ein erster Verlauf U1 repräsentiert einen Spannungsverlauf, der dadurch erhalten wird, dass die beiden schaltbaren Elektroden 20, 21 auf undefiniertes Potential geschaltet sind (engl. „floaten“), was dadurch erreicht wird, dass die beiden Schalteinrichtungen 30, 31 sperren. Ein zweiter, gestrichelt dargestellter Spannungsverlauf U2 wird erhalten, wenn die die erste schaltbare Elektrode 20 auf undefiniertes Potential und die zweite schaltbare Elektrode 21 auf Massepotential geschaltet ist. Ein dritter Spannungserlauf U3 ergibt sich, wenn die erste schaltbare Elektrode 20 auf Massepotential und die zweite schaltbare Elektrode 21 auf undefiniertes Potential geschaltet ist.
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Ein Einfluss derjenigen schaltbaren Elektrode 20, 21 auf das elektrische Feld E der wechselspannungsführenden Leitung 50 ist umso größer, je näher die Elektrode 20, 21 relativ zur Leitung 50 angeordnet ist. Aus den Messdaten der 2 können somit aus einer Auswertung der lateralen Versatze d bei unterschiedlich geschalteten schaltbaren Elektroden 20, 21 Positionsdaten der Leitung 50 ermittelt werden, wobei vorteilhaft auch eine Richtung ermittelbar ist, aus der sich die Vorrichtung 100 bzw. der damit realisierte AC-Sensor der zu detektierenden Leitung 50 annähert.
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Nicht in Figuren dargestellt ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 100, die sich dadurch auszeichnet, dass auch noch weitere schaltbare Elektroden im Wesentlichen orthogonal zu den beiden schaltbaren Elektroden 20, 21 angeordnet sind, wobei dann insgesamt vier schaltbaren Elektroden die Erfassungselektrode 10 im Wesentlichen ringartig umgeben. Auf diese Weise ist es möglich, einen noch präziseren Richtungsverlauf der zu der detektierenden Leitung 50 zu ermitteln.
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Ebenfalls nicht dargestellt in den Figuren ist eine Ausführungsform der Vorrichtung 100 mit einer dreidimensionalen Ausgestaltung der Elektroden 10, 20, 21. Auf diese Weise kann eine gewisse Richtcharakteristik und Abschirmwirkung erreicht werden, was insbesondere dann günstig ist, wenn eine Verwendung der Vorrichtung 100 zusammen mit einem HF-Sensor vorgesehen bzw. wenn eine Messung von der Seite vorgesehen ist.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 mit einer möglichen Elektrodenanordnung. In dieser Variante umfasst die Vorrichtung 100 lediglich eine einzige schaltbare Elektrode 20, die im Wesentlichen ringartig geschlossen ausgebildet ist und die Detektionselektrode 10 umschließend angeordnet ist. Denkbar ist dabei auch eine Unterbrechung in der schaltbaren Elektrode 20 in der Größenordnung von wenigen Millimetern, bezogen auf den Gesamtumfang. Auf diese Weise ist die Vorrichtung 100 besonders sensitiv auf eine Erfassung einer Tiefenlage (z.B. in einem Mauerwerk), in der das zu detektierende Objekt (nicht dargestellt in 3) angeordnet ist. Man erhält auf diese Art und Weise also gewissermaßen einen „Tiefendetektor“ für wechselspannungsführende Leiter. Denkbar ist auch, dass die schaltbare Elektrode 20 mehrere (z.B. vier) Elektroden umfasst ist, die im Wesentlichen gleichzeitig geschaltet werden.
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4 zeigt normierte Verläufe U4, U5 einer elektrischen Spannung U bezogen auf eine Tiefe t, in der sich die zu detektierende Leitung 50 befindet.
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Ein Verlauf U4 repräsentiert einen von der Erfassungselektrode 10 ermittelten Spannungsverlauf des elektrischen Feldes E, wobei die erste schaltbare Elektrode 20 mittels der Schalteinrichtung 30 auf undefiniertes Potential geschaltet ist. Ein Verlauf U5 repräsentiert einen Spannungsverlauf des elektrischen Feldes E der Leitung 50 bei einer auf Massepotential geschalteten ersten schaltbaren Elektrode 20. Man erkennt, dass zwischen den Verläufen U4 und U5 ein Spannungsunterschied besteht, der davon abhängt, wie die erste schaltbare Elektrode 20 geschaltet ist. Aus diesem detektierten Spannungsunterschied lässt sich die Tiefe t der wechselspannungsführenden Leitung 50 ermitteln bzw. wenigstens schätzen. Ein Einfluss der schaltbaren Elektrode 20 auf das elektrische Feld E ist dabei umso größer, je tiefer die zu detektierende Leitung 50 unterhalb der Elektroden 10, 20 angeordnet ist.
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Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren für die Vorrichtung 100 per Software realisiert. Auf diese Weise ist ein einfaches Ändern der durchzuführenden definierten Operationen der schaltbaren Elektroden 20, 21 möglich.
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5 zeigt eine zu diesem Zweck vorgesehene Steuerungseinrichtung 70, mittels der die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 angesteuert wird.
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6 zeigt in prinzipieller Weise einen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt S1 wird eine erste Feldstärke E1 eines elektrischen Feldes E der Leitung 50 mittels einer Erfassungselektrode 10 erfasst, wobei eine definiert zur Erfassungselektrode 10 angeordnete schaltbare Elektrode 20 auf ein undefiniertes Potential geschaltet ist.
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In einem zweiten Schritt S2 wird eine zweite Feldstärke E2 des elektrischen Feldes E der Leitung 50 mittels der Erfassungselektrode 10 erfasst, wobei die schaltbare Elektrode 20 mittels der Schalteinrichtung auf Massepotential geschaltet ist.
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Schließlich wird in einem dritten Schritt S3 ein Ermitteln von Positionsdaten der Leitung 50 durch Verstärken und Auswerten der erfassten Daten der Feldstärken E1, E2 durchgeführt.
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Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein AC-Sensor vorgeschlagen, der mit wenigstens einer Erfassungs- bzw. Detektionselektrode und mit definierten Masseflächen arbeitet, wobei die Masseflächen relativ zur Erfassungselektrode definiert angeordnet sind. Die Masseflächen können zwischen einem unbestimmten Potential (Floaten der Massefläche) auf ein bestimmtes Potential (Massepotential der Massefläche) geschaltet werden. Wird eine Massefläche auf das Massepotential geschaltet, kommt es dadurch zu einer Beeinflussung des elektrischen Feldes der wechselspannungsführenden Leitung und damit zu einer Änderung der Abstandscharakteristik der Erfassungselektrode.
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Dadurch ist eine Aussage über die die Tiefe bzw. die Lage des Objekts relativ zur Erfassungselektrode möglich, weil sich die Impedanz der elektromagnetischen Kopplung zwischen der Erfassungselektrode und der wechselspannungsführenden Leitung ändert. Durch die Potentialänderung der Masseflächen verändert man also aktiv das elektrische AC-Feld, um zusätzliche Informationen zu erhalten. Ändert sich durch die Potentialänderung einer Massefläche das gemessene AC-Signal nicht, kann davon ausgegangen werden, dass die Leitfähigkeit eines Mediums (z.B. einer Wand), in dem die Leitung angeordnet ist, zu hoch ist um die wechselspannungsführende Leitung zu detektieren.
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Vorteilhaft ist ein Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung für handgehaltene Ortungsgeräte mit Batteriebetrieb und für Multidetektoren mit mehreren Sensoren (z.B. induktiver Sensor, AC-Sensor, kapazitiver Sensor, usw.) möglich. Vorteilhaft ist mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber herkömmlichen AC-Sensoren ein besonders einfaches Detektieren von Positionen von wechselspannungsführenden Leitung möglich. Vorteilhaft lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kostengünstige AC-Sensoren realisieren, weil lediglich ein geringer Hardwareaufwand idealerweise ohne Kalibrierungsaufwand erforderlich ist.
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Der Fachmann wird die Merkmale der Erfindung in geeigneter Weise abändern und/oder miteinander kombinieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. Insbesondere wird er erkennen, dass eine spezifische Anzahl und/oder Formgebung der Elektroden der Vorrichtung für das Funktionieren des erfindungsgemäßen Prinzips nicht wesentlich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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