DE102022105066A1

DE102022105066A1 - Tragbarer Spannungsdetektor und System zum Warnen vor Spannungsgefahren

Info

Publication number: DE102022105066A1
Application number: DE102022105066.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Stehle
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 2022-03-03
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2023-09-07
Also published as: WO2023166191A1

Abstract

Ein tragbarer Spannungsdetektor (100) umfasst ein Gehäuse (106), eine im Gehäuse (106) aufgenommene Sensorschaltung zum Erfassen von elektrischen Feldern (501) innerhalb eines Detektionsbereichs des tragbaren Spannungsdetektors (100), eine im Gehäuse (106) aufgenommene Auswerteeinheit zum Auswerten der erfassten elektrischen Felder, wobei die Auswerteeinheit mit der Sensorschaltung verbunden ist. Eine mit der Auswerteeinheit verbundene Warnvorrichtung (104) ist dazu eingerichtet, ein Warnsignal auszugeben, falls die Stärke eines von der Sensorschaltung erfassten elektrischen Feldes (501) eine Warnschwelle erreicht oder übersteigt. Eine mit der Auswerteeinheit verbundene drahtlose Kommunikationsschnittstelle des tragbaren Spannungsdetektors (100) ist dazu ausgebildet, ein Einstellsignal zu empfangen, um die Warnschwelle festzulegen. Eine mit der Sensorschaltung sowie der Kommunikationsschnittstelle verbundenen Spannungsquelle ist dazu ausgebildet ist, mittels einer Einheit zum induktiven Laden aufgeladen zu werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen tragbaren Spannungsdetektor zum Erfassen von elektrischen Feldern in der Nähe von stromführenden elektrischen Leitungen und ein System zum Warnen vor Spannungsgefahren.
Tragbare Spannungsdetektoren dienen dazu, einen Benutzer vor der Annäherung an stromführende elektrische Leitungen zu warnen, sodass dieser einen Kontakt mit den elektrischen Leitungen vermeiden beziehungsweise einen notwendigen Sicherheitsabstand einhalten kann. Im Bereich technischer Arbeiten an elektrischen Leitungen und Systemen stellen tragbare Spannungsdetektoren somit eine zusätzliche Möglichkeit bereit, die Arbeitssicherheit zu erhöhen.
Die Funktionsweise derartiger Spannungsdetektoren basiert darauf, dass das elektrische Feld einer stromführenden Leitung in einem Sensorelement des Spannungsdetektors einen elektrischen Verschiebungsstrom erzeugt, der gemessen und ausgewertet werden kann. Wird dabei festgestellt, dass eine zuvor festgelegte Warnschwelle überschritten wird, kann der Spannungsdetektor seinen Benutzer warnen, beispielsweise mittels einer akustischen Warnung.
Entscheidend für den erfolgreichen Einsatz tragbarer Spannungsdetektoren ist daher die festgelegte Warnschwelle, das heißt wie empfindlich der Spannungsdetektor eingestellt ist.
Eine niedrigere Warnschwelle sorgt dafür, dass der Spannungsdetektor, bei gleichbleibender Spannung an der stromführenden Leitung, auch bei größeren Abständen zur stromführenden Leitung anschlägt. Dies bringt zwar eine hohe Sicherheit mit sich, kann jedoch bei der Arbeit, insbesondere mit oder in der Nähe von Mittel- und Hochspannungsleitungen, dazu führen, dass der tragbare Spannungsdetektor übermäßig häufig anschlägt.
Unter einer „Hochspannung“ wird hier und im Folgenden eine Spannung von mindestens 1 kV Wechselspannung verstanden, wohingegen unter einer „Niedrigspannung“ eine Spannung unter 1 kV Wechselspannung verstanden wird.
Der Bereich der „Hochspannung“ wird zudem üblicherweise noch in Bereiche unterteilt, nämlich dem Bereich der Mittelspannung (bis zu 60 kV), dem Bereich der Hochspannung (ab 60 kV bis 220 kV) und dem Bereich der Höchstspannung (ab 220 kV).
Wird hingegen eine höhere Warnschwelle verwendet, wird dem Benutzer eine höhere Eigenverantwortung zugesprochen, da bei gleichbleibender Spannung erst bei einer deutlich geringeren Distanz zur stromführenden Leitung eine Warnung vom tragbaren Spannungsdetektor ausgegeben wird.
Im Fall von Laien bzw. elektrotechnisch lediglich unterwiesenen Personen kann eine vollständige Beurteilung der Gefahr, die von stromführenden Leitungen ausgeht, nicht vorausgesetzt werden. Daher muss ein tragbarer Spannungsdetektor für diese Benutzergruppe eine möglichst hohe Empfindlichkeit aufweisen. Zudem sollte die Bedienung des Spannungsdetektors möglichst einfach sein, um Fehlbenutzungen zu vermeiden. Beispiele für Personen aus einer solchen Benutzergruppe sind Mitglieder der öffentlichen Gefahrenabwehr wie Feuerwehr, Sanitätsdienst, Polizei und technischer Hilfsdienst sowie Bauarbeiter und Installateure in der Gasversorgung, Wasserversorgung und/oder Wasserentsorgung.
Bei Elektrofachkräften hingegen kann aufgrund ihrer Ausbildung ein erhöhtes Bewusstsein und ein ausreichendes Einschätzungsvermögen der von stromführenden elektrischen Leitungen ausgehenden Gefahr ausgegangen werden. Für diese Benutzergruppe dient der tragbare Spannungsdetektor lediglich als zusätzliches Warngerät. Hier stellt sich jedoch die Herausforderung, dass bei Arbeiten an komplexen Systemen elektrischer Leitungen gegebenenfalls nur einzelne Zweige spannungsfrei geschaltet sind, sodass in vergleichsweise geringem Abstand zu weiterhin stromführenden elektrischen Leitungen gearbeitet werden muss. Um ein permanentes Auslösen des tragbaren Spannungsdetektors zu vermeiden, muss es daher diesen Benutzern möglich sein, vor Ort und situationsabhängig die Warnschwelle anzupassen.
Bisher ist es üblich, unterschiedliche Spannungsdetektoren für diese verschiedenen Anforderungsprofile bereitzustellen, wodurch jedoch hohe Beschaffungs-, Lagerungs- und Aufrechterhaltungskosten verursacht werden.
Eine weitere Herausforderung in der Ausgestaltung von tragbaren Spannungsdetektoren ist deren Energieversorgung. Diese erfolgt üblicherweise durch eingebaute Primär- oder Sekundärzellen. Primärzellen können lediglich einmalig verwendet werden und sind aus ökologischen Gründen nicht wünschenswert. Sekundärzellen können wieder aufgeladen werden. Dafür ist es bekannt, einen Ladeanschluss im Gehäuse des Spannungsdetektors vorzusehen, beispielsweise eine Mini- oder Micro-USB-Schnittstelle.
Nachteilig an dieser Lösung ist, dass eine Öffnung im Gehäuse des Spannungsdetektors eingebracht sein muss, wodurch Schmutz und Feuchtigkeit eindringen kann. Dieser Nachteil wird dadurch noch verstärkt, dass Arbeiten an stromführenden Leitungen, insbesondere im Fall von Hochspannungssystemen, oft in rauen Umgebungen und auch bei schlechten Wetterbedingungen durchgeführt werden müssen. In diesem Fall müssen zusätzliche Abdichtungen des Ladeanschlusses vorgesehen sein, die den Aufwand in der Konstruktion erheblich steigern. Zudem ist es für den Benutzer umständlich, Ladekabel anschließen zu müssen, während er die für die Arbeiten notwendigen Schutzhandschuhe trägt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen tragbaren Spannungsdetektor bereitzustellen, der sich für eine Vielzahl von Benutzergruppen eignet, dessen Handhabung vereinfacht ist und zuverlässig vor stromführenden elektrischen Leitungen warnen kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen tragbaren Spannungsdetektor umfassend ein Gehäuse, eine im Gehäuse aufgenommene Sensorschaltung zum Erfassen von elektrischen Feldern innerhalb eines Detektionsbereichs des tragbaren Spannungsdetektors und eine im Gehäuse aufgenommene Auswerteeinheit zum Auswerten der erfassten elektrischen Felder. Die Auswerteeinheit ist mit der Sensorschaltung verbunden. Ferner ist die Auswerteeinheit mit einer Warnvorrichtung verbunden, die dazu eingerichtet ist, ein Warnsignal auszugeben, falls die Stärke eines von der Sensorschaltung erfassten elektrischen Feldes eine Warnschwelle erreicht oder übersteigt. Zudem umfasst der tragbare Spannungsdetektor eine mit der Auswerteeinheit verbundene drahtlose Kommunikationsschnittstelle, die dazu ausgebildet ist, ein Einstellsignal zu empfangen, um die Warnschwelle festzulegen, und eine mit der Sensorschaltung sowie der Kommunikationsschnittstelle verbundene Spannungsquelle, die dazu ausgebildet ist, mittels einer Einheit zum induktiven Laden aufgeladen zu werden.
Der erfindungsgemäße tragbare Spannungsdetektor ermöglicht eine flexible Anpassung der jeweils herangezogenen Warnschwelle über das Einstellsignal. Dadurch wird es ermöglicht, dass der gleiche tragbare Spannungsdetektor für verschiedene Arbeitsumgebungen und Benutzergruppen genutzt werden kann. Mit anderen Worten ist es nicht mehr notwendig, mehrere Spannungsdetektoren für unterschiedliche Einsatzzwecke zu kaufen und vorrätig zu halten, wodurch die anfallenden Kosten erheblich reduziert werden können.
Die drahtlose Kommunikationsschnittstelle kann mittels allen üblichen Verbindungsmethoden zur drahtlosen Datenübertragung betrieben werden.
Bevorzugt ist die Kommunikationsschnelle dazu eingerichtet, eine Bluetooth-Low-Energy-Verbindung zum Datenaustausch zu nutzen, um den Stromverbrauch des tragbaren Spannungsdetektors weiter zu senken. Auf diese Weise wird gleichzeitig auch die Zuverlässigkeit des tragbaren Spannungsdetektors weiter erhöht, da die Gefahr einer unzureichenden Energieversorgung und damit eines ungeplanten Funktionsausfalls reduziert ist.
Die Auswerteeinheit ist insbesondere auf einem Prozessor ausgebildet.
Zudem muss erfindungsgemäß im Gehäuse des tragbaren Spannungsdetektors keine Öffnung vorgesehen sein, über welche eine Ladebuchse zum Laden der Spannungsquelle oder ein Austauschen der Spannungsquelle erfolgen würde. Stattdessen kann der tragbare Spannungsdetektor aufgeladen werden, indem er lediglich auf einer induktiven Ladefläche platziert wird, um einen Ladevorgang zu starten. Derartige induktive Ladeflächen finden zunehmend Verbreitung und sind weltweit verfügbar.
Mit anderen Worten ist die Spannungsquelle induktiv aufladbar.
Beispielsweise kann ein Einsatzfahrzeug des Benutzers über eine induktive Ladefläche verfügen, sodass der tragbare Spannungsdetektor bei Fahrten zum oder vom angedachten Einsatzort und/oder bei Fahrten zwischen verschiedenen Einsatzorten geladen werden kann.
Der induktive Ladevorgang kann nach allen üblichen Standards zum induktiven Laden erfolgen, beispielsweise mittels des Qi-Standards des „Wireless Power Consortiums“ oder des AirFuel-Standards der „AirFuel Alliance“. Bevorzugt ist die Spannungsquelle dazu eingerichtet, unter Verwendung des Qi-Standards induktiv geladen zu werden.
Das Gehäuse ist insbesondere ein Gehäuse aus Kunststoff, sodass das Gesamtgewicht und die Kosten des tragbaren Spannungsdetektors niedrig sind.
Da ein Nachladen der Spannungsquelle einfach und unkompliziert realisierbar ist, kann die Gesamtkapazität der Spannungsquelle vergleichsweise gering ausgelegt sein.
Beispielsweise weist die Spannungsquelle eine Kapazität im Bereich von 100 bis 200 mAh auf. Dies ermöglicht es, die Spannungsquelle möglichst kompakt und leicht auszulegen, wodurch auch die Gesamtgröße und das Gesamtgewicht des Spannungsdetektors reduziert ist.
Das von der Warnvorrichtung abgegebene Warnsignal kann ein optisches Warnsignal, ein akustisches Warnsignal und/oder ein Vibrationssignal sein.
Beispielsweise umfasst die Warnvorrichtung eine Lampe, insbesondere eine LED, und/oder einen Piezosummer.
Um die Komplexität des tragbaren Spannungsdetektors weiter zu verringern, kann der tragbare Spannungsdetektor lediglich ein einzelnes manuelles Steuerelement aufweisen, wobei das einzelne manuelle Steuerelement dazu eingerichtet ist, die Auswerteeinheit einzustellen. Insbesondere ist das einzelne manuelle Steuerelement dazu eingerichtet, die Warnschwelle einzustellen und/oder eine Ausgabe der Auswerteeinheit zu steuern.
Beispielsweise kann das einzelne manuelle Steuerelement dazu eingerichtet sein, bei Betätigung ein aktuell ausgegebenes Warnsignal des tragbaren Spannungsdetektors auszuschalten. Mit anderen Worten kann der Benutzer auf diese Weise bestätigen, dass das Warnsignal wahrgenommen wurde.
In einer Variante ist das einzelne manuelle Steuerelement dazu eingerichtet, zu steuern, ob die Auswerteeinheit im Auslösefall ein Ansteuersignal an die Warnvorrichtung leitet oder nicht. Somit kann der Benutzer über das einzelne manuelle Steuerelement einstellen, ob derzeit überhaupt ein Warnsignal ausgegeben wird oder nicht.
Umfasst die Warnvorrichtung mehrere Komponenten, beispielsweise eine optische Anzeige und eine akustische Anzeige, kann das einzelne manuelle Steuerelement dazu eingerichtet sein, einzustellen, welche der Komponenten bei Überschreiten der Warnschwelle aktiviert werden, beispielsweise nur eine LED oder nur ein Piezosummer.
Das einzelne manuelle Steuerelement kann auch dazu eingerichtet sein, die in der Auswerteeinheit hinterlegte Warnschwelle anzupassen oder zu ersetzen.
Bevorzugt ist das einzelne manuelle Steuerelement ein Druckknopf.
Die Sensorschaltung kann ein Sensorelement zum Erfassen von elektrischen Feldern sowie eine in Reihe zum Sensorelement geschaltete Verstärkerschaltung umfassen. Die Verstärkerschaltung dient dazu, eine zuverlässige Auswertung zu ermöglichen, selbst, wenn das im Sensorelement erzeugte Messsignal schwach ist.
Das Sensorelement ist insbesondere eine Metallfolie oder eine schwach leitfähige Kunststofffolie, beispielsweise eine metallisch beschichtete Kunststofffolie.
Die Verstärkerschaltung kann einen Spannungsteiler mit Vorverstärkungsfunktion umfassen. Mit anderen Worten erfolgt die Messung des über das Sensorelement detektieren elektrischen Feldes über einen Messwiderstand aus zwei parallel geschalteten Widerständen, wobei insbesondere am Mittenpunkt zwischen diesen beiden Widerständen ein Verstärkungselement vorgesehen ist, beispielsweise ein Impedanzwandler.
Der Spannungsteiler ist insbesondere ein hochohmiger 1:1-Spannungsteiler.
Um aus dem Wechselfeld des Verschiebestroms ein gleichgerichtetes Signal zu erzeugen, welches auf einfache Weise mit der Warnschwelle vergleichbar ist, kann die Sensorschaltung eine Operationsverstärkerschaltung mit Tiefpass umfassen, die zwischen dem Spannungsteiler und der Auswerteeinheit angeordnet ist.
In einer Variante ist die Auswerteeinheit durch einen Mikrocontroller ausgebildet, wobei der Mikrocontroller insbesondere dazu eingerichtet ist, zwischen einem Schlafmodus („Standby“) und einem Operationsmodus zu wechseln. Der Mikrocontroller kann periodisch zwischen dem Schlafmodus und dem Operationsmodus wechseln, wobei lediglich im Operationsmodus der Mikrocontroller einen von der Sensorschaltung verarbeiteten Messwert des Sensorelements mit der Warnschwelle vergleicht und bei Erreichen oder Übersteigen der Warnschwelle ein Ansteuerungssignal an die Warnvorrichtung leitet. Alternativ kann der Mikrocontroller vom Schlafmodus in den Operationsmodus wechseln, falls ein dem Mikrocontroller vorgeschalteter Komparator ein Erreichen der Warnschwelle feststellt, und im Operationsmodus ein Ansteuerungssignal an die Warnvorrichtung leiten.
Mit anderen Worten ist der Mikrocontroller insbesondere derart ausgebildet, dass er sich möglichst häufig im Schlafmodus befindet, in welchem der Stromverbrauch des Mikrocontrollers reduziert ist. Auf diese Weise kann der Gesamtstromverbrauch des Spannungsdetektors reduziert werden, sodass bei gleichbleibender Kapazität der Spannungsquelle eine längere Einsatzdauer ohne Nachladen erreicht wird.
Optional kann die Sensorschaltung ein Dämpfungsglied umfassen, welches der Verstärkerschaltung vorgeschaltet ist. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere vorteilhaft, wenn der tragbare Spannungsdetektor für Arbeiten in der Nähe von Mittel- und Hochspannungsleitungen eingesetzt werden soll, da aufgrund der dort zu erwartenden besonders hohen Spannungen sehr hohe Verschiebeströme am Sensorelement auftreten können. Das Dämpfungsglied sorgt in diesem Fall dafür, dass die weiteren Komponenten und Bauteile der Sensorschaltung und der Auswerteeinheit nicht durch diese sehr hohen Verschiebeströme beschädigt werden. Zusätzlich wird der Messbereich der Sensorschaltung durch den Einsatz des Dämpfungsglieds erhöht.
Das Dämpfungsglied ist beispielsweise ein zum Spannungsteiler parallel geschalteter Kondensator.
Das Dämpfungsglied kann in verschiedenen Betriebsmodi eingesetzt werden.
Beispielsweise kann das Dämpfungsglied in einem ersten Betriebsmodus keinen Einfluss auf das vom Sensorelement erzeugte Messsignal haben und in einem zweiten Betriebsmodus das vom Sensorelement erzeugte Messsignal abschwächen.
Mit anderen Worten kann das Dämpfungsglied, sofern ein Einsatz in der Umgebung von elektrischen Leitern, die bei Mittel- oder Hochspannung betrieben werden, angedacht ist, in den zweiten Betriebsmodus versetzt werden, um die weiteren Komponenten und Bauteile des Spannungsdetektors vor zu hohen elektrischen Belastungen zu schützen. Ist hingegen nur mit geringeren Verschiebeströmen zu rechnen, beispielsweise bei Arbeiten in der Nähe von Niederspannungssystemen, kann das Dämpfungsglied in den ersten Betriebsmodus versetzt werden, um der Sensorschaltung zu gestatten, die entsprechend kleineren Messsignale zuverlässig verarbeiten zu können.
Der Betriebsmodus des Dämpfungsglieds ist insbesondere über den Mikrocontroller einstellbar.
In einer weiteren Ausgestaltung kann das Dämpfungsglied über einen dritten Betriebsmodus verfügen, wobei das Dämpfungsglied im dritten Betriebsmodus ein vom Sensorelement unabhängiges Testsignal erzeugt, mit welchem die Funktionsfähigkeit der Sensorschaltung überprüfbar ist.
Mit anderen Worten verfügt der tragbare Spannungsdetektor in diesem Fall über eine Selbsttestfunktion.
Um es dem Benutzer des Spannungsdetektors zu ermöglichen, die Funktionsfähigkeit des Spannungsdetektors selbst zu überprüfen, kann das Testsignal über das einzelne manuelle Steuerelement auslösbar sein.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch ein System zum Warnen vor Spannungsgefahren, umfassend einen tragbaren Spannungsdetektor wie zuvor beschrieben und ein Mobilgerät, wobei das Mobilgerät zum Datenaustausch mit der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle des tragbaren Spannungsdetektors ausgebildet ist.
Das Mobilgerät ist beispielsweise ein Smartphone oder ein Tablet, welches vom Benutzer mit sich geführt werden kann, wenn der tragbare Spannungsdetektor im Einsatz ist.
Der tragbare Spannungsdetektor kann erfindungsgemäß über das Mobilgerät gesteuert werden, beispielsweise mittels einer auf dem Mobilgerät vorhandenen Applikation oder einem sonstigen Steuerungsprogramm.
Insbesondere kann die Warnschwelle über das Mobilgerät festgelegt und über das Einstellsignal an die Auswerteeinheit übermittelt werden.
Zudem kann das Mobilgerät über eine Mensch-Maschinen-Schnittstelle („Human-Machine-Interface“ - HMI) verfügen, insbesondere über ein berührungsempfindliches Display, auf dem wenigstens eine Information zum Betrieb des Spannungsdetektors anzeigbar ist.
Die Information zum Betrieb des Spannungsdetektors umfasst beispielsweise die Warnschwelle, die aktuell gemessene Stärke des elektrischen Felds im Detektionsbereich des tragbaren Spannungsdetektors, die Position des Benutzers, die aktuelle Uhrzeit und/oder der Ladezustand der Spannungsquelle.
Das Mobilgerät kann ferner eine Protokollierfunktion besitzen, über die Informationen zum Betrieb des Spannungsdetektors gespeichert werden, insbesondere ein Verlauf der erhaltenen Messdaten, Zeitinformationen, Standortinformationen und/oder Betätigungen des einzelnen manuellen Steuerelements.
Die Informationen zum Betrieb des Spannungsdetektors können lokal auf dem Mobilgerät gespeichert und/oder über das Mobilfunknetz an einen Server übermittelt werden, insbesondere mittels der Kommunikationsschnittstelle (und optional über das Mobilgerät).
Die Trennung von tragbarem Spannungsdetektor und Mobilgerät zur Konfiguration der Warnschwelle erlaubt es, den gleichen Spannungsdetektor für verschiedene Benutzergruppen zu nutzen.
Beispielsweise wird die Warnschwelle einmalig mittels des Mobilgeräts eingestellt und anschließend der tragbare Spannungsdetektor an den Benutzer weitergegeben, der abgesehen von den Funktionen des einzelnen manuellen Steuerelements die Funktionsweise des Stromdetektors nicht beeinflussen kann. Diese Variante ist insbesondere vorteilhaft, wenn es sich bei dem Benutzer um einen Laien bzw. eine elektrotechnisch lediglich unterwiesene Person handelt, beispielsweise eine Einsatzkraft.
Alternativ kann dem Benutzer das gesamte System umfassend den tragbaren Spannungsdetektor und das Mobilgerät überlassen werden, sodass auch während des Einsatzes des Spannungsdetektors dessen Warnschwelle angepasst und/oder Informationen ausgelesen werden können. Diese Variante kann bevorzugt dann genutzt werden, wenn es sich bei dem Benutzer um eine elektrotechnische Fachkraft handelt.
Weitere Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung ausgewählter Ausführungsformen ersichtlich, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden sollen, sowie aus den Zeichnungen. In diesen zeigen:

- 1 ein erfindungsgemäßes System zum Warnen vor Spannungsgefahren mit einem erfindungsgemäßen tragbaren Spannungsdetektor;
- 2 eine schematische Darstellung ausgewählter Komponenten des Systems aus 1;
- 3 eine weitere schematische Darstellung ausgewählter Komponenten des Spannungsdetektors aus 1 und einer induktiven Ladestation;
- 4 eine erste Ausführungsform einer Sensorschaltung des Spannungsdetektors aus 1;
- 5 eine zweite Ausführungsform der Sensorschaltung aus 4; und
- 6 eine dritte Ausführungsform der Sensorschaltung aus 5.

In 1 ist ein erfindungsgemäßes System 200 zum Warnen vor Spannungsgefahren dargestellt, beispielsweise zum Warnen vor einem elektrischen Feld 501, welches von einer Hochspannungsleitung 500 ausgeht, also einer stromführenden Leitung.
Es versteht sich, dass anstelle der Hochspannungsleitung 500 auch jedwede andere stromführende elektrische Leitung gemeint sein kann, insbesondere auch eine Niederspannungs- Mittel- und/oder Höchstspannungsleitung, oder eine andere stromführende Komponente bzw. Komponente, an der eine Spannung anliegt.
Das System 200 umfasst einen tragbaren Spannungsdetektor 100 und ein Mobilgerät 201.
Der tragbare Spannungsdetektor 100 verfügt über ein einzelnes manuelles Steuerelement 101, das in der gezeigten Ausführungsform als ein Druckknopf ausgebildet ist. Auf die Funktion des Steuerelements 101 wird später noch näher eingegangen.
Ferner umfasst der tragbare Spannungsdetektor 100 eine optische Warnanzeige 102, beispielsweise eine LED, sowie eine akustische Warnanzeige 103, beispielsweise einen Piezosummer, die Teil einer Warnvorrichtung 104 des tragbaren Spannungsdetektors 100 sind.
Die weiteren Komponenten des tragbaren Spannungsdetektors 100 sind in einem Gehäuse 106 aufgenommen, welches abgesehen von den notwendigen Lautsprecheröffnungen der akustischen Warnanzeige 103 sowie den Öffnungen zur Montage des einzelnen manuellen Steuerelements 101 und der optischen Warnanzeige 102 keine weiteren Öffnungen aufweist, sodass der tragbare Spannungsdetektor 100 unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen wie Schmutz und/oder Wasser ist.
Das Mobilgerät 201 ist in der dargestellten Ausführungsform ein Smartphone. Grundsätzlich kommen auch andere Mobilgeräte als Bestandteil des erfindungsgemäßen System 200 in Betracht, beispielsweise ein Tablet.
Das Mobilgerät 201 verfügt über eine Mensch-Maschinen-Interface 202, welches als berührungsempfindliches Display ausgeführt ist.
Zudem ist auf dem Mobilgerät 201 eine App zum Steuern des tragbaren Spannungsdetektors 100 installiert.
In 2 sind ausgewählte Komponenten des tragbaren Spannungsdetektors 100 sowie des Mobilgeräts 201 dargestellt.
Der tragbare Spannungsdetektor 100 hat ein Sensorelement 108 zum Erfassen von elektrischen Feldern in einem Detektionsbereich 109 des tragbaren Spannungsdetektors 100, beispielsweise zum Erfassen des elektrischen Felds 501, das von dem durch die Hochspannungsleitung 500 fließenden Strom erzeugt wird.
Das Sensorelement 108 ist beispielsweise eine Metallfolie oder eine leicht elektrisch leitfähige Kunststofffolie und weist eine Gesamtfläche von wenigen Quadratzentimetern auf, beispielsweise eine Gesamtfläche von 1 bis 25 cm², insbesondere von 1 bis 16 cm², vorzugsweise von 1 bis 10 cm².
Das Sensorelement 108 ist über eine Sensorschaltung 110 mit einer Auswerteeinheit 112 verbunden.
In der gezeigten Ausführungsform ist die Auswerteeinheit 112 durch einen Mikrocontroller ausgebildet, der das von der Sensorschaltung 110 erhaltene Signal auswertet.
Die Sensorschaltung 110 umfasst eine Verstärkerschaltung 114 und eine Operationsverstärkerschaltung 116.
In der Auswerteeinheit 112, also im Mikrocontroller, ist eine Warnschwelle hinterlegt, bei deren Überschreiten die Auswerteeinheit 112 ein Ansteuerungssignal an eine Auslöseeinheit 118 der Warnvorrichtung 104 sendet, aufgrund dessen ein Warnsignal mittels der optischen Warnanzeige 102 und/oder der akustischen Warnanzeige 103 ausgegeben wird.
Das einzelne manuelle Steuerelement 101 ist über eine Steuereinheit 120 ebenfalls mit der Auswerteeinheit 112 verbunden.
Ferner verfügt der Spannungsdetektor 100 über eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle 122, mittels der ein Einstellsignal empfangbar ist, das die Warnschwelle festlegt.
Die Komponenten des Spannungsdetektors 100 werden von einer Spannungsquelle 124 mit elektrischer Energie versorgt. Die Spannungsquelle 124 ist fest innerhalb des Gehäuses 106 verbaut und ist eine Sekundärbatterie mit einer Kapazität im Bereich von 100 bis 200 mAh.
Das Mobilgerät 201 verfügt ebenfalls über eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle 205, sodass der tragbare Spannungsdetektor 100 und das Mobilgerät 201 drahtlos miteinander kommunizieren können.
In der gezeigten Ausführungsform wird dazu eine Bluetooth-Low-Energy-Verbindung 300 genutzt. Es versteht sich, dass grundlegend jede Art der drahtlosen Kommunikation zwischen tragbarem Spannungsdetektor 100 und dem Mobilgerät 201 verwendet werden kann, solange ein zuverlässiger Datenaustausch gewährleistet bleibt.
Das Mobilgerät 201 verfügt ferner über ein Protokollmodul 206 sowie ein Verbindungsmodul 208 zum Aufbau einer mobilen Datenverbindung.
Im Protokollmodul 206 kann mindestens eine Information zum Betrieb des tragbaren Spannungsdetektors 100 gespeichert werden, die das Mobilgerät 201 mittels der drahtlosen Kommunikationssschnittstelle 205 empfängt, insbesondere ein Verlauf der im tragbaren Spannungsdetektor 100 erhaltenen Messdaten, Zeitinformationen, Standortinformationen und/oder Betätigungen des einzelnen manuellen Steuerelements 101.
Die im Protokollmodul 206 gespeicherten Informationen zum Betrieb des tragbaren Spannungsdetektors 100 können nach einem Unfall dazu dienen, diesen zu analysieren, um die Ursachen des Unfalls aufzuklären und basierend auf den Ergebnissen dieser Analyse Maßnahmen zu ergreifen, um die Arbeitssicherheit zukünftig weiter zu erhöhen.
Über ein Anzeigemodul 210 kann auf der Mensch-Maschinen-Schnittstelle 202 wenigstens ein Teil der Informationen zum Betrieb des tragbaren Spannungsdetektors 100 angezeigt werden.
Eingaben des Benutzers, welche über die Mensch-Maschinen-Schnittstelle 202 vorgenommen werden, können über ein Konfigurationsmodul 212 ausgewertet werden.
Über das Verbindungsmodul 208 kann jedwede im Protokollmodul 206 hinterlegte Information über eine mobile Datenverbindung an einen Server übertragen werden.
Zusätzlich ist ein akustisches Ausgabemittel 214 vorgesehen. Über das akustische Ausgabemittel 214 kann zusätzlich zu den Komponenten der Warnvorrichtung 104 des tragbaren Spannungsdetektors 100 ein Warnsignal abgegeben werden, sofern im Mikroprozessor des tragbaren Spannungsdetektors 100 ein Überschreiten der Warnschwelle festgestellt wird.
Das Mobilgerät 201 kann dazu eingerichtet sein, einen Vibrationsalarm auszulösen, sofern in der Auswerteeinheit 112 des tragbaren Spannungsdetektors 100 ein Überschreiten der Warnschwelle festgestellt wird, wie durch die gestrichelten Linien 204 in 1 angedeutet.
Die verschiedenen Komponenten und Module des Mobilgeräts 201 sind mit einem Prozessor 209 verbunden, der dazu eingerichtet ist, die Funktionen der einzelnen Komponenten und Module des Mobilgeräts 201 zu steuern.
Das erfindungsgemäße System 200 zeichnet sich dadurch aus, dass der tragbare Spannungsdetektor 100 wahlweise zusammen mit dem Mobilgerät 201 oder einzeln eingesetzt werden kann.
Insbesondere, wenn das erfindungsgemäße System 200 von geschultem Fachpersonal als zusätzliches Mittel zum Erhöhen der Arbeitssicherheit eingesetzt wird, wird der tragbare Spannungsdetektor 100 zusammen mit dem Mobilgerät 201 verwendet. Auf diese Weise kann das Fachpersonal vor Ort bei Bedarf die Warnschwelle situationsoptimiert anpassen, beispielsweise um unnötige Fehlalarme aufgrund einer zu niedrigen Warnschwelle zu vermeiden.
Wird hingegen der tragbare Spannungsdetektor 100 von ungeschultem Personal, beispielsweise Laien oder elektrotechnisch lediglich unterwiesenen Personen wie Einsatzkräften verwendet, kann die Warnschwelle zentral mittels des Mobilgeräts 201 festgelegt werden und der tragbare Spannungsdetektor 100 einzeln verwendet werden. Der Benutzer hat in diesem Fall keine Möglichkeit, die Warnschwelle selbstständig anzupassen und somit auch nicht, die Warnschwelle aufgrund einer falschen Gefahrenabschätzung zu niedrig einzustellen.
Das erfindungsgemäße System 200 eignet sich somit für verschiedene Nutzerkreise, ohne das verschiedene Arten von tragbaren Spannungsdetektoren 100 vorgehalten werden müssen.
In 3 ist eine weitere schematische Darstellung des tragbaren Spannungsdetektors 100 in Verbindung mit einer Einheit 400 zum induktiven Laden dargestellt.
Die Einheit 400 zum induktiven Laden wird über ein Netzteil 402 mit elektrischer Energie versorgt und verfügt über ein Transmittermodul 404 und eine Senderspule 406.
Die Steuerung der Einheit 400 zum induktiven Laden erfolgt mittels eines Prozessors 408, der mit dem Netzteil 402 sowie dem Transmittermodul 404 verbunden ist.
Der tragbare Spannungsdetektor 100 verfügt über eine Empfangsspule 125 und ein Empfangsmodul 126 mit Ladesteuerung.
Zwischen der Senderspule 406 und der Empfangsspule 125 kann eine drahtlose Ladeverbindung 600 zwischen dem tragbaren Spannungsdetektor 100 und der Einheit 400 zum induktiven Laden hergestellt werden, insbesondere eine drahtlose Ladeverbindung nach dem Qi-Standard.
Das Empfangsmodul 126 ist mit der Spannungsquelle 124 sowie einem Monitoring-Modul 128 zum Überwachen des Ladezustands der Spannungsquelle 124 verbunden.
Die Auswerteeinheit 112 ist ebenfalls mit dem Monitoring-Modul 128 verbunden.
Das Laden des tragbaren Spannungsdetektors 100 mittels einer drahtlosen Ladetechnologie ermöglicht es, dass das Gehäuse 106 keine zusätzliche Öffnung für eine Ladeschnittstelle aufweisen muss. Auf diese Weise ist die Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit und/oder Schmutz erhöht. Zudem erleichtert sich die Handhabung des tragbaren Spannungsdetektors 100.
4 zeigt ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Sensorschaltung 110.
Die Verstärkerschaltung 114 wird in dieser Ausführungsform von einem Spannungsteiler 130 mit einer Verstärkerschaltung 132 gebildet.
Der Spannungsteiler 130 ist ein hochohmiger 1:1-Spannungsteiler, wobei parallel geschaltete Widerstände zum Einsatz kommen, die in 4 mit R4 und R13 bezeichnet sind, die beispielsweise einen Widerstand von 2,0 MΩ oder mehr aufweisen.
Der Spannungsteiler 130 misst daher den vom Sensorelement 108 als Messsignal bestimmten Strom. Das vom Sensorelement 108 bestimmte Messsignal weist zudem eine Spannung V_IN auf.
Zwischen Spannungsteiler 130 und Sensorelement 108 ist ein vorgeschalteter Kondensator 134 vorgesehen, über dessen Kapazität ein Dämpfungsfaktor des Messsignals des Sensorelements 108 festgelegt werden kann.
Das Messsignal stellt aufgrund der Detektion der Änderung des elektrischen Feldes 501 im Detektionsbereich 109 ein bipolares Signal dar. Die Sensorschaltung 110 dient unter anderem dazu, dass Ausgangssignal der Sensorschaltung 110 zu einem unipolaren Signal umzuwandeln, um den Vergleich dieses unipolaren Signals mit der Warnschwelle zu vereinfachen.
Die Spannung V_IN wird mittels eines am Mittenpunkt des Spannungsteilers 130 angeschlossenen Impedanzwandlers 136 der Verstärkerschaltung 132 zu einer Spannung V_AMP vorverstärkt.
Grundsätzlich könnte bereits dieses Signal mittels eines Analog-Digital-Konverters (ADC) der Auswerteeinheit 112, also des Mikrocontrollers, zum Vergleich mit der in der Auswerteeinheit 112 hinterlegten Warnschwelle herangezogen werden.
Insbesondere ist noch eine Nachverstärkung vorgesehen, welche vorliegend die Widerstände R10, R11 und R12 umfasst, über die das in den Impedanzwandler 136 rückgeführte Signal nachverstärkt wird, welches auf dem Ausgangssignal des Impedanzwandlers 136 basiert.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist jedoch zusätzlich die Operationsverstärkerschaltung 116 vorgesehen, die als Gleichrichter fungiert.
In dieser wird das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung 114 über Dioden 138 und 140 gleichgerichtet (Spannung V_RECT), mittels eines zweiten Impedanzwandlers 142 verstärkt und über einen Tiefpass 144 („RC-Glied“) zu einem Ausgangssignal mit Spannung V_RMS gefiltert.
Die in 4 gezeigte Ausführungsform der Sensorschaltung 110 erzeugt ein Ausgangssignal, welches zum ADC der Auswerteeinheit 112, also des Mikrocontrollers, übertragen wird. Das Ausgangssignal ist zum durch das Sensorelement 108 erzeugten Messsignal invertiert und weist eine Spannung im Bereich zwischen halber Versorgungsspannung Vcc und Masse auf.
Die Beschränkung auf die halbe Versorgungsspannung ermöglicht eine Verdopplung der Auflösung im ADC der Auswerteeinheit 112 im Vergleich zu einem direkt nach dem Impedanzwandler 136 abgegriffenen verstärkten Messsignals mit Spannung V_AMP.
Zudem kann auf elektrische Fehlstellen in der Sensorschaltung 110 geschlossen werden, wenn im Ruhezustand der Sensorschaltung 110, das heißt wenn kein elektrisches Feld 501 im Detektionsbereich 109 vorhanden ist, die Spannung von der halben Versorgungsspannung Vcc abweicht. Auf diese Weise können Fehlfunktionen der Sensorschaltung 110 zuverlässig erkannt werden.
Insgesamt zeichnet sich die Sensorschaltung 110 durch eine analoge, das heißt hardwarenahe, Effektivwertbildung aus. Anders ausgedrückt wird das vom Sensorelement 108 ausgehende Messsignal bereits mittels der Komponenten der Sensorschaltung 110 aufbereitet, bevor es zur Auswerteeinheit 112 übertragen wird. Auf diese Weise kann die notwendige Aktivität der Auswerteeinheit 112 auf ein notwendigstes Maß beschränkt werden, was zu einem geringeren Energieverbrauch und somit zu einer längeren Einsatzdauer und erhöhter Zuverlässigkeit des tragbaren Spannungsdetektors 100 führt.
In 5 ist ein zweite Ausführungsform der Sensorschaltung 110 dargestellt.
Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Gleiche Bezugszeichen werden für gleiche Bauteile verwendet und es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
In der zweiten Ausführungsform ist eine dritte Diode 146 vorhanden, deren Durchgangsrichtung gegenläufig zur Diode 140 ist und die beim Gleichrichten des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung 114 zum Einsatz kommt. Hierdurch wird der Spannungsabfall über die Diode 140 kompensiert und damit die Empfindlichkeit der Verstärkerschaltung 114 verbessert.
In 6 ist eine dritte Ausführungsform der Sensorschaltung 110 dargestellt.
Die dritte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Gleiche Bezugszeichen werden für gleiche Bauteile verwendet und es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
In der dritten Ausführungsform ist ein zusätzliches Dämpfungsglied 148 vor den Spannungsteiler 130 und die Verstärkerschaltung 114 geschaltet.
Das Dämpfungsglied 148 ist mit einem I/O-Pin des Mikrocontrollers, in 6 als GPIO bezeichnet, verbunden und umfasst einen Kondensator, der über ein Signal der Auswerteeinheit 112 einstellbar ist. Mit anderen Worten verfügt das Dämpfungsglied 148 über mehrere Betriebsmodi.
In einem ersten Betriebsmodus hat das Dämpfungsglied 148 keinen Einfluss auf das vom Sensorelement 108 gelieferte Messsignal. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der I/O-Pin der Auswerteeinheit 112 hochohmig geschaltet wird, sodass der Stromfluss über den Kondensator des Dämpfungsglieds 148 unterbunden wird.
In einem zweiten Betriebsmodus schwächt das Dämpfungsglied 148 das vom Sensorelement 108 gelieferte Messsignal ab, indem der Widerstand am I/O-Pin der Auswerteeinheit 112, also des Mikrocontrollers, auf ein gewünschtes Maß abgesenkt wird. Somit fließt ein Teil des vom Sensorelement 108 detektierten Verschiebestroms über das Dämpfungsglied 148 ab und nicht über den Spannungsteiler 130.
Das Dämpfungsglied 148 kann somit als Schutzkomponente für die weiteren Bauteile und Komponenten der Sensorschaltung 110 dienen, indem Verschiebeströme, die oberhalb der verkraftbaren Ströme der weiteren Bauteile und Komponenten liegen, vermieden werden.
Alternativ oder zusätzlich dient das Dämpfungsglied 148 dazu, den Messbereich der Sensorschaltung 110 zu vergrößern.
Zu diesem Zweck kann das Dämpfungsglied 148 auch mehrere parallel geschaltete Kondensatoren umfassen, die jeweils über einen I/O-Pin der Auswerteeinheit 112 ansteuerbar sind, um eine maßgeschneiderte Dämpfungswirkung realisieren zu können.
In einem dritten Betriebsmodus erzeugt das Dämpfungsglied 148 ein vom Sensorelement 108 unabhängiges Testsignal, mit welchem die Funktionsfähigkeit der Sensorschaltung 110 überprüfbar ist.
In diesem Betriebsmodus wird ausgehend von der Auswerteeinheit 112 ein periodisch wiederkehrendes pulsförmiges Stromsignal über den I/O-Pin in das Dämpfungsglied 148 eingespeist. Auf diese Weise wird ein Wechselstromsignal erzeugt, dass vom Spannungsteiler 130 erfasst und über die Verstärkerschaltung 114 und die Operationsverstärkerschaltung 116 verstärkt, gleichgerichtet und gefiltert wird.
Das in diesem Fall von der Sensorschaltung 110 erzeugte Ausgangssignal kann in der Auswerteeinheit 112 durch Vergleich mit einem erwarteten Messsignalverlauf überprüft und bewertet werden. Somit verfügt der tragbare Spannungsdetektor 100 in dieser Ausführungsform über eine Selbsttestfunktionalität, ohne dass weitere Bauteile oder Komponente verbaut werden müssen.
Wird eine Abweichung vom erwarteten Messsignalverlauf festgestellt, ist die Auswerteeinheit 112 dazu eingerichtet, ein Ansteuerungssignal an die Warnvorrichtung 104 zu leiten, damit diese ein Warnsignal von sich gibt.
Der Selbsttest kann bevorzugt auch vom Benutzer mittels des einzelnen manuellen Steuerelements 101 gestartet werden.
Insgesamt zeichnet sich das erfindungsgemäße System 200 durch eine flexible Verwendung für verschiedene Nutzerkreise aus, während gleichzeitig eine zuverlässige Detektion von elektrischen Feldern bereitgestellt wird. Der tragbare Spannungsdetektor 100 ist zudem besonders robust und mit langlebiger Energieversorgung ausgestattet.

Claims

Tragbarer Spannungsdetektor umfassend ein Gehäuse (106), eine im Gehäuse (106) aufgenommene Sensorschaltung (110) zum Erfassen von elektrischen Feldern (501) innerhalb eines Detektionsbereichs (109) des tragbaren Spannungsdetektors (100), eine im Gehäuse (106) aufgenommene Auswerteeinheit (112) zum Auswerten der erfassten elektrischen Felder, wobei die Auswerteeinheit (112) mit der Sensorschaltung (110) verbunden ist, eine mit der Auswerteeinheit (112) verbundene Warnvorrichtung (104), die dazu eingerichtet ist, ein Warnsignal auszugeben, falls die Stärke eines von der Sensorschaltung (110) erfassten elektrischen Feldes (501) eine Warnschwelle erreicht oder übersteigt, eine mit der Auswerteeinheit (112) verbundene drahtlose Kommunikationsschnittstelle (122), die dazu ausgebildet ist, ein Einstellsignal zu empfangen, um die Warnschwelle festzulegen, und eine mit der Sensorschaltung (110) sowie der Kommunikationsschnittstelle (122) verbundenen Spannungsquelle (124), wobei die Spannungsquelle (124) dazu ausgebildet ist, mittels einer Einheit (400) zum induktiven Laden aufgeladen zu werden.
Tragbarer Spannungsdetektor nach Anspruch 1, wobei der tragbare Spannungsdetektor (100) lediglich ein einzelnes manuelles Steuerelement (101) aufweist, wobei das einzelne manuelle Steuerelement (101) dazu eingerichtet ist, die Auswerteeinheit (112) einzustellen, insbesondere die Warnschwelle einzustellen und/oder eine Ausgabe der Auswerteeinheit (112) zu steuern.
Tragbarer Spannungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensorschaltung (110) ein Sensorelement (108) zum Erfassen von elektrischen Feldern (501) sowie eine in Reihe zum Sensorelement (108) geschaltete Verstärkerschaltung (114) umfasst.
Tragbarer Spannungsdetektor nach Anspruch 3, wobei die Verstärkerschaltung (114) einen Spannungsteiler (130) mit Vorverstärkungsfunktion umfasst.
Tragbarer Spannungsdetektor nach Anspruch 4, wobei die Sensorschaltung (110) eine Operationsverstärkerschaltung (116) mit Tiefpass (144) umfasst, die zwischen dem Spannungsteiler (130) und der Auswerteeinheit (112) angeordnet ist.
Tragbarer Spannungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (112) durch einen Mikrocontroller ausgebildet ist, und wobei der Mikrocontroller insbesondere dazu eingerichtet ist, zwischen einem Schlafmodus und einem Operationsmodus zu wechseln, wobei der Mikrocontroller entweder periodisch zwischen dem Schlafmodus und dem Operationsmodus wechselt und lediglich im Operationsmodus einen von der Sensorschaltung (110) verarbeiteten Messwert des Sensorelements (108) mit der Warnschwelle vergleicht und bei Erreichen oder Übersteigen der Warnschwelle ein Ansteuerungssignal an die Warnvorrichtung (104) leitet oder der Mikrocontroller vom Schlafmodus in den Operationsmodus wechselt, falls ein dem Mikrocontroller vorgeschalteter Komparator ein Erreichen der Warnschwelle feststellt und im Operationsmodus ein Ansteuerungssignal an die Warnvorrichtung (104) leitet.
Tragbarer Spannungsdetektor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Sensorschaltung (110) ein Dämpfungsglied (148) umfasst, welches der Verstärkerschaltung (132) vorgeschaltet ist.
Tragbarer Spannungsdetektor nach Anspruch 7, wobei das Dämpfungsglied (148) in einem ersten Betriebsmodus keinen Einfluss auf das vom Sensorelement (108) erzeugte Messsignal hat und in einem zweiten Betriebsmodus das vom Sensorelement (108) erzeugte Messsignal abschwächt.
Tragbarer Spannungsdetektor nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Dämpfungsglied (108) in einem dritten Betriebsmodus ein vom Sensorelement (108) unabhängiges Testsignal erzeugt, mit welchem die Funktionsfähigkeit der Sensorschaltung (110) überprüfbar ist.
System zum Warnen vor Spannungsgefahren, umfassend einen tragbaren Spannungsdetektor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und ein Mobilgerät (201), wobei das Mobilgerät (201) zum Datenaustausch mit der drahtlosen Kommunikationsschnittstelle (122) des tragbaren Spannungsdetektors (100) ausgebildet ist.