DE2823542A1

DE2823542A1 - Detektor zum erfassen und anzeigen eines elektrostatischen feldes

Info

Publication number: DE2823542A1
Application number: DE19782823542
Authority: DE
Inventors: William F Robson
Original assignee: LAPERLE RAYMOND A
Current assignee: LAPERLE RAYMOND A
Priority date: 1978-02-16
Filing date: 1978-05-30
Publication date: 1979-08-23
Also published as: GB1604959A; JPS54111868A; US4349783A; CA1145400A

Description

Detektor zum Erfassen und Anzeigen eines elektrostatischen Feldes

Die Erfindung betrifft einen Detektor zum Erfassen und Anzeigen eines elektrostatischen Feldes mit einer auf das Feld ansprechenden Antenne.

Derartige Detektoren sind insbesondere geeignet, elektrische Starkstrom- oder Lichtleitungen zu orten, wenn diese unter Spannung stehen. Gleichermaßen können natürlich auch andere von Wechselströmen herrührende elektrostatische Felder erfaßt und angezeigt werden.

Es ist oftmals erforderlich, Licht- und Kraft 1 ei tiingen., die unter Putz verlegt sind, in Gebäuden zu orten, sei es daß die Leitung an irgendeiner Stelle unterbrochen ist, sei es um bei Reparaturarbeiten eine intakte Leitung nicht zu zerstören. Falls es möglich ist, den Leitungs-

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verlauf sehr genau zu orten, wird hierdurch der Vorteil erhalten, daß im Falle einer Reparatur der Leitung nur das Mauerwerk im unmittelbaren Bereich der Fehlerstellen aufgestemmt zu werden braucht. Ähnliches gilt, wenn der Leitungsdraht unter der Isolierung gebrochen ist und es möglich ist, die Bruchstelle sehr genau aufzufinden. Ist nämlich eine genaue Ortung der Bruchstelle nicht möglich, dann ist es erforderlich, die Isolierung der Leitung an mehreren Stellen zu beseitigen_?um zu prüfen, ob das darunterliegende Leiterstück unter Spannung steht oder nicht. Oftmals ist es deshalb erforderlich, einen ganzen Leitungsstrang zu ersetzen, falls die Bruchstelle nicht einfach auffindbar ist. Ist es also möglich, den Leitungsverlauf und eventuelle Fehlerstellen in engen Grenzen aufzufinden, dann wird hierdurch erheblicher Zeit - und Arbeitsaufwand erspart. Obwohl die vorerwähnten Leitungsbrüche nicht sehr häufig auftreten, so sind sie gerade dort, wo sie auftreten, von besonderer Gefahr, nämlich in erster Linie bei -alten Gebäuden, bei denen die Leitungen z.T verrottet sind. Hauptsächlich treten Leitungsbrüche durch Schwingungen auf. Die Kenntnis des Leitungsverlaufs ist auch bei Um-und Einbauten in Gebäuden von besonderer Bedeutung.

In den Fällen, wo die Leitung aus mehreren Phasen besteht, ist es oftmals sehr schwierig zu ermitteln, welche der Phasen nicht arbeitet.

Die CDN-PS 1 012 607 beschreibt bereits einen Detektor zum Erfassen eines elektrostatischen Feldes mit einer auf das Feld ansprechenden Antenne. Dieser Detektor ist jedoch gefährlich in der Handhabung für Menschen. 3ei diesem Detektor muß nämlich der Körper der Bedienungsperson in Kontat mit Masse oder in Kontakt mit einem Erdleiter stehen. Außerdem ist es mit dem bekannten Detektor nicht möglich, die Größe des elektrostatischen

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Feldes quantitativ zu erfassen, so daß die Gefahr besteht, daß der Detektor sich in der Nähe eines elektrostatischen Feldes befindet, welches für die Bedienungsperson gefährlich sein kann.

Es besteht die Aufgabe, einen Detektor der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß er für die Bedienungsperson ungefährlich ist und weiterhin eine"Möglichkeit bietet, die Größe des elektrostatischen Feldes abzuschätzen

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar .

Der erfindungsgemäße Detektor ist ein Instrument, der es ermöglicht, elektrische Leitungen aufzuspüren und zu ermitteln, ob diese unter Spannung stehen oder nicht. Es handelt sich hierbei um ein handbedienbares Gerät, dessen Antenne elektrostatische Felder eines Wechselstroms oder eines pulsierenden Gleichstromes erfaßt, wenn die entsprechende Feldquelle nicht abgeschirmt ist. Beim Stromdurchgang durch einen Leiter baut sich um diesen Leiter ein elektromagnetisches Feld auf, bei eir.em unterbrochenen Leiter kann jedoch kein Strom fließen, so daß Detektoren, welche auf elektromagnetische Felder ansprechen, nicht geeignet sind, Leitungen zu erfassen, durch die kein Strom fließt. Anders ist dies bei einem Detektor zum Erfassen elektrostatischer Felder, da es auch dann möglich ist, elektrostatische Felder längs des Leiters zu erfassen, wenn durch den Leiter kein Strom fließt. Weist beispielsweise die Leitung eine Unterbrechung auf-, dann kann die Leitung verfolgt werden bis zu der Stelle, bei der die Unterbrechung vorhanden ist.

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Das Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung braucht nicht in Kontakt zu stehen mit dem menschlichen Körper oder mit Masse. In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Anzeigelampen vorgesehen, deren Folge die relative Stärke des elektrostatischen Felds anzeigt. Demgemäß ist es für die Bedienungsperson möglich, die Entfernung zur Leitung, die er sucht, abzuschätzen. Dabei ist es gleichgültig, ob durch diese Leitung Strom fließt oder nicht. Durch Überwachen der Zahl der aufleuchtenden Lampen kann der Verlauf der Leitung und die Stellen einer ventuellen Leitungsunterbrechung leicht ermittelt werden.

Soweit nachfolgend irgendwelche Wertangaben gemacht werden, beziehen sie sich auf einen Detektor zur Ermittlung einer 110 V Leitung (Wechselstrom), die sich in 25 cm unter einer nichtmetallischen Wand befindet.

Da es nicht erforderlich ist, den Detektor zu erden, ist -es möglich, die Antenne beispielsweise an Baufahrzeugen anzuordnen. Von besonderer Bedeutung ist dies bei Kränen. Kommt das Baufahrzeug oder der Teil des Baufahrzeugs an dem die Antenne angeordnet ist, in die Nähe einer elektrischen Leitung, wird in der Kabine des Baufahrzeugs ein Warnsignal erzeugt. Bei dem Warnsignal muß es nicht notwendigerweise um das vorerwähnte Lichtsignal handeln. Ein akustisches Warnsignal ist ohne weiteres möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Detektors;

Fig. 2 ein Blockdiagramm des schematischen Aufbaus des Detektors;

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Fig. 3 ein schematisches Diagramm der Grundausführungsform des Detektors;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm einer weiteren grundsätzlichen Ausführungsform des Detektors ;

Fig. 5 ein Blockdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Detektors und

Fig. 6 ein Schaltdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform.

Wie die Fig. 1 zeigt, sind alle Schaltbauteile in einem nichtleitenden Gehäuse 2 enthalten, dessen Größe so gewählt ist, daß es von Hand gehalten werden kann. An einem Ende des Gehäuses ist die Antenne 4 vorgesehen, wobei .Form und Größe der Antenne auf das zu erfassende Feld angepaßt sind. Typischerweise handelt es sich bei der Antenne um eine Metal 1scheibe von 12,7 mm Durchmesser. Es ist nicht erforderlich, daß die Scheibe ohne Schutz ist. Sie kann durch einen Isolator bedeckt sein. Eine geeignete Antenne besteht beispielsweise aus einem Scheibenkondensator von 12,7 mm Durchmesser, bei dem ein oder beide Anschlüsse an den Eingang des Schaltkreises angeschlossen sind.

Längs einer Seite des Gehäuses 2 ist eine Reihe von Lichtern 6 vorgesehen. Die Anordnung der Lampen kann natürlich auch anders sein, als in Fig. 1 gezeigt.Die Lampen können beispielsweise rechtwinkelig zur.Achse des Gehäuses oder kreisförmig vorgesehen werden. Zum leichten Einstellen des Geräts dient ein Schwellwerteinstellmittel 8.

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Im Gebrauch wird das Gehäuse von Hand gehalten und die Antenne 4 wird in den Bereich ausgerichtet, wo die Leitung oder der Draht vermutet wird. Alternativ hierzu kann das Gehäuse auch in der Nähe eines Leiters aufgestellt werden, um zu sehen, ob beim Betätigen von Schaltern die Leitung spannungsführend wird oder nicht, was durch Aufleuchten der Lämpchen 6 angezeigt wird. Der Drehknopf 8 zum Einstellen des Schwel!wertes wird auf Maximalempfindlichkeit gestellt. Das Gehäuse wird in den zu untersuchenden Bereich bewegt, bis mindestens eines der Lämpchen 6 aufleuchtet. Je mehr Lämpchen aufleuchten, um so mehr nähert sich das Gerät einer spannungsführenden Leitung. Der Drehknopf 8 zur Einstellung des Schwellwertes wird sodann auf geringere Empfindlichkeit eingestellt, je mehr die Antenne in die Nähe der aufzufindenden Leitung gebracht wird. Befindet sich die Antenne in unmittelbarer Nähe der Leitung, dann ist der Drehknopf 8 auf minimale Empfindlichkeit eingestellt. In unmittelbarer Nähe der Leitung ist das elektrostatische Feld am stärksten.

Das Gerät kann auch von ungeübten Bedienungspersonen einwandfrei bedient werden. Es ist weiterhin möglich, die Feldintensität durch Eichen der Einstellskala für den Knopf 8 für eine bekannte Entfernung ablesen zu können» obwohl die relative Intensität durch Betrachten der Zahl der aufleuchtenden Lämpchen leicht bestimmbar ist.

Die Grundform des schaltungstechnischen Aufbaus ist in Fig. 2 gezeigt. Die Antenne 4 ist an einen Tiefpaßfilter 10 hoher Eingangsimpedanz angeschlossen. Obwohl das Instrument danach ausgelegt ist, in erster Linie"Licht- und Starkstromleitungen zu orten, bei denen ein Wechselstrom mit 60 Hz fließt, so ist es doch wünschenswert, auch Signale höherer Frequenz zu erfassen, beispiels-

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weise im Gereich von 10 kHz. Die Bandbreite erlaubt das Ermitteln elektrostatischer Felder mit einer Signalfrec|uenz von höher als 60 Hz, co daß beispielsweise die Harmonischen zweier zusammenwirkender Phasen eines dreiphasigen 60 Hz Systems ermittelbar sind. Auch ist es dann möglich, die im militärischen Bereich verwendeten 400 Hz zu erfassen. Die obere Frequenzgrenze von 1OkHz ist natürlich nur beispielhaft.

Der Ausgang des Verstärkers 10 ist mit einem Antriebsschaltkreis 12 für die Signallampen verbunden. In der Grundausführungsfornr ist es natürlich möglich, daß nur eine einzige Lämpchenanzeige verwendet wird. Bevorzugt sind jedoch mehrere Lämpchen vorhanden, die anhand der Fig. 5 und 6 später noch erläutert werden wird. Der Lampenantriebsschaltkreis 12 ist bevorzugt bezüglich seines Schwel!wertes einstellbar. Werden jedoch mehrere Lämpchen verwendet, dann ist ggf. der dynamische Bereich des Instruments ausreichend, so daß auf eine veränderbare Schwellwerteinstellung verzichtet werden kann.

Die Fig. 3 zeigt ein schematisches Diagramm des schaltungstechnischen Aufbaus. Eine Antenne 4 ist an einen aktiven Tiefpaßfilter 14 angeschlossen, der eine obere Grenzfrequenz wie vorerwähnt aufweist. Der Ausgang des Aktivfilters ist verbunden mit dem Eingang eines transistorisierten Lampenantriebsschaltkreises 16. Die Lampe ist zusammen mit dem Transistor 16 zwischen eine Speisespannungsquelle + V und - V geschaltet.

Eine alternative Ausführungsform ist in Fig. 4.gezeigt* Die Antenne 4 ist hierbei an einen Verstärkerschaltkreis 20 hoher Eingangsimpedanz angeschlossen. Der Ausgang des Operationsverstärkers 20 ist über eine Detektor-

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diode 22 (die einen Spitzendetektor bildet) an ein Tiefpaßfilter angeschlossen, das aus dem Kondensator 24 und dem Widerstand 26 besteht, welche parallel zwischen dem Ausgang der Giiode und und Masse geschaltet sind. Der Ausgang des Tiefpaßfilters ist verbunden mit dem Eingang eines Lampenschalttransistors 16, an den wie in Fig. 3 die Lampe 18 angeschlossen ist.

In Fig. 4 dient der Operationsverstärker als aktives Element eines aktiven Filters 14. Die Antenne ist an den Umkehreingang des Operationsverstärkers 20 angeschlossen, während der Nichtinvertereingang mit Masse verbunden ist. Falls es gewünscht wird, den Schwellwert einstellen zu können, dann werden die Nichtinvertereingänge der Operationsverstärker gemäß den Fig. 3 und 4 über einen veränderbaren Spannungsteiler an Masse gelegt, wobei es sich bei dem Spannungsteiler beispielsweise um ein Potentiometer handeln kann, das zwischen die Pole der Speisespannungsquelle geschaltet ist und dessen Abgriff mit dem Nichtinvertereingang verbunden ist. In diesem Fall fließt ein Strom erst dann, wenn der Schwellwert überschritten ist, und die Schaltung arbeitet somit als Spitzendetektor, da nur solche Signale hindurchgehen und zu einem Aufleuchten der Lampe 18 führen, die größer als der Schwellwert sind.

Wird von der Antenne 4 ein elektrostatisches Feld erfaßt, dann gelangt ein Signal an den Eingang des Differentialverstärkers nach Fig. 3 oder 4. In Fig. 3 dient der Differentialverstärker gleichzeitig als aktives Fi.lter 14 und demgemäß werden nur Signale mit einer Freq-uenz, geringer als der Filterfrequenz, beispielsweise geringer als 10 kHz verarbeitet. Bei der Schaltung nach Fig. 4 dagegegen werden alle Signale vom Verstärker 20 verarbeitet.

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In Fig. 3 gelangt das Ausgangssignal an die Basis des Transistors 16, der hierdurch leitend wird, so daß die Lampe 18 aufleuchtet.

Bei der Schaltung nach Fig. 4 dagegen wird das Ausgangssignal durch die Diode 22 gleichgerichtet und dieses Signal gelangt an den aus Kondensator 24 und Widerstand bestehenden Filter. Dieses Signal gelangt an den Transistor 16, der hierdurch leitend wird, wodurch die Lampe aufleuchtet.

Liegt der Nichtinvert-ereingang des Verstärkers an einem höheren Potential als an dem Massepotential - V, dann werden Signale im Verstärker nur dann verstärkt, wenn das Antennensignal größer als der Schwellwert ist. Durch Verändern des Potentials am Nichtinvertereingang ist eine Veränderung des Schwellwerts möglich und damit eine Einstellung der Empfindlichkeit des Geräts. Selbst wenn nur eine Lampe verwendet wird, so ist es durch Einstellen der Empfindlichkeit möglich, das elektrostatische Feld einer Leitung genau zu orten.

Es ist zu vermerken, daß die Verstärker eine nichtlineare Übertragungscharakteristik aufweisen können, die beispielsweise einen logarithmischen Verlauf hat. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß beispielsweise 110 V Gleichspannung in einer Entfernung von 250 mm mit einer minimalen Anzeige und 10 000 V Wechselstrom auf die gleiche Entfernung mit einer maximalen Anzeige erfaßt werden können.

Die Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform. Die Antenne 4 ist mit dem Eingang hoher Impedanz eines Trennverstärkers 28 verbunden. Der Aus-

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gang des Verstärkers 28 ist an einen Verstärker 30 angeschlossen, dessen Ausgang mit einem Tiefpaßfilter 32 verbunden ist. Der Ausgang des Tiefpaßfilters 32 ist verbunden mit einem Spitzendetektor 34, der seinerseits mit dem Eingang eines Vergleicherschaltkreises 36 verbunden ist, der auch die Antriebsschaltung für die Lampe darstellt. Der Ausgang des Komporators 36 ist mit einem lichtemittierenden Bauteil 38 verbunden.

Ein von der Antenne erfaßtes elektrostatisches Feldsignal wird dem hochimpedanten Eingang des Trennverstärkers 28 zugeführt. Das geringe, am Ausgang des Verstärkers 28 auftretende Signal wird verstärkt durch, den Verstärker 30, dessen Verstärkungsgrad vorzugsweise näherungsweise 40 db ist. Das Signal geht sodann durch den Tiefpaßfilter 32 hindurch, das alle Frequenzen oberhalb 10 000 Hz abschneidet. Das resultierende Signal wandert durch den Spitzendetektor 34, der nur Signale hindurchläßt, welche oberhalb eines bestimmten Schwellwerts liegen. Der Schwellwert ist entweder feststehend oder kann von außen eingestellt werden. Der Ausgang des Spitzendetektors 34 liegt an einem Vergleicherschaltkreis 36 an, der das Aufleuchten von einer oder mehreren Lampen bewirkt, abhängig von der Amplitude des Signals am Ausgang des Spitzendetektors 34. Die Größe dieses Ausgangssignals ist natürlich abhängig von der Größe des empfangenen Eingangssignals von der Antenne 4.

Die Fig. 6 zeigt ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Antenne 4 ist an den Eingang eines Feldeffekttransistors 40 angeschlossen. Dieser Feldeffekttransistor 40 weist eine extrem hohe Eingangsimpedanz auf. Im Nebenschluß zum Eingang dieses Transistors ist ein Widerstand 42 geschaltet, der ebenfalls einen hohen Widerstandswert aufweist, beispiels-

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weise in der Größenordnung von 4,7 megohm.

Eine Seite des Transistors 40 ist über einen Widerstand 44 an Masse gelegt, die wiederum mit dem negativen Pol -V der Speisespannungsquelle verbunden ist. Diese Seite des Transistors 40 ist über einen Eingangskondensator 46 mit dem nichtinvertereingang eines Verstärkers 48 verbunden. An den Invertereingang des Verstärkers ist über den integrierenden Kondensator 50 der Ausgang dieses Verstärkers angeschlossen. Parallel zum Kondensator 50 ist eine Serienschaltung bestehend aus einem Widerstand 52 und zwei parallelen gegeneinander geschal-, teten Dioden 54 und 56 geschaltet. Der Invertereingang des Verstärkers 48 ist weiterhin über eine Serie von Widerständen 58, 60 und 62 mit dem negativen Pol -V der Speisespannungsquelle verbunden. Der Nichtinvertereingang des Verstärkers 48 ist über einen Widerstand mit der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 60 und 62 verbunden.

Der Ausgang des Verstärkers 48 ist über eine Diode 66 mit einem Tiefpaßfilter verbunden, das aus einem paral1 el geschalteten Kondensator 6S und einem Widerstand besteht, welche ebenfalls an -V liegen.

Der Ausgang der Diode 66 ist verbunden mi⁺ dem Invertereingang eines Verstärkers 72. Der Nichtinvertereingang ist über den Widerstand 74 mit der Verbindung zwischen den Widerständen 60 und 62 verbunden.

Die Widerstände 58, 60 und 62 stellen einen Spanntfngs-, teiler dar, der über den Widerstand 64 mit dem Verstärker 48 verbunden ist, in der Weise, daß dieser Spannungsteiler den Schwellwert für den Verstärker 48 bildet. Der Wert des Widerstandes 74 ist beträchtlich

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kleiner als derjenige des Widerstandes 64, so daß der gleiche Schwellwert auch am Verstärker 72 vorhanden ist.

Der Ausgang des Verstärkers 72 ist über den Widerstand verbunden mit der Basis des Transistors 76. Diese Basis ist weiterhin über einen Widerstand 80 mit dem positiven Pol +V der Speisespannungsquelle verbunden. Da es sich um einen PNP-Transistör handelt,ist der Emitter über einen Widerstand 82 ebenfalls an +V angeschlossen.

Parallel zu den Eingängen des Verstärkers 72 sind Komparatoren 84, 86 und 8*8 und Verstärker 90 und 92 geschaltet, deren Nichtinvertereingänge direkt verbunden sind mit dem Invertereingang des Verstärkers 72. Jeder der Invertereingänge ist jedoch mit einem Abgriff eines Spannungsteilers verbunden, der aus den Widerständen 62, 74, 94, 96, 98, 100, 102 und 104 besteht. Diese Widerstände sind in Serie geschaltet, zwischen dem Nichtinvertereingang des Verstärkers 72 und dem positiven Pol + V der Speisespannungsquelle.

Eine Lichtemitterdiode 106 liegt zwischen dem Kollektor des Transistors 76 und dem Ausgang des Komparators 84. Eine weitere lichtemittierende Diode 108 ist zwischen die Ausgänge der Komparatoren 84 und 86 und eine weitere Diode 110 zwischen dem Ausgang des Komparators 86 und Masse geschaltet.

Der Augsgang des Komparators 88 ist über einen Wider- . stand 112 mit der Basis des Transistors 114 verbunden. Dieser Transistor 114 ist vergleichbar wie der. Transistor 76 in bezug auf den Verstärker 72 geschaltet, d.h. ein Widerstand 116 liegt zwischen der Basis des Transistors 114 und dem Potential +V und der Emitter ist über eine Widerstand 118 ebenfalls mit +V verbunden.

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Der Ausgang dos Verstärkers 90 ist an eine Diode 120 und der Verstärker 92 an eine Diode 122 angeschlossen.

Die lichtemittierende Diode 124 ist zwischen den Kollektor des Transistors 114 und das andere Ende der Diode geschaltet. Eine lichtemittierende Diode 126 liegt einerseits an der Verbindung zwischen den Dioden 124 und 120, andererseits am anderen Anschluß der Diode 122. Letztlich ist eine lichtemittierende Diode 128 einerseits an die Verbindung zwischen den Dioden 126 und 122 und anderseits an -V angeschlossen.

Die Antenne 4 befindet sich in einem elektrostatischen Feld, dessen Quelle erfaßt werden soll. Der Feldeffekttransistor 40, dessen Eingang im Nebenschluß zu einem hohen Widerstand, von beispielsweise 4,7 megohm liegt, weist eine hohe Impedanz gegenüber diesem Feld auf. Der Ausgang dieses Feldeffekttransistors besitzt dagegen eine wesentlich geringere Impedanz und das sich ergebende Signal gelangt über den Kondensator 46 zum Eingang eines Verstärkers 48.

Der Kondensator 50 wirkt integrierend auf das Eingangssignal, während die Dioden 54 und 56 mit dem Widerstand 52 eine Begrenzerwirkung haben, die ein Übersteuern des Systems bei einem extrem hohen Feld vermeiden und den Spannungsabfall längs der Diode 66 kompensieren.

Der aus den Widerständen 58, 60 und 62 bestehende Spannungsteiler bewirkt eine Gleichspannungsvorspannung zum Einstellen eines Schwel!wertes für die Verstärker, jedoch liegt bezüglich Masse ein gemeinsames Potential für Wechselstromsignale infolge des Nebenschlußkondensators 130 vor, der zwischen der Verbindung der Widerstände 58 und 60 und Masse geschaltet ist. Demgemäß werden Signale, die den durch den Spannungsteiler be-

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stimmten Schwellwert übersteigen, im Verstärker 48 verarbeitet u π el der Detektor diode 66 zugeführt. Signale, die ein Maximum übersteigen, welches bestimmt ist durch die B e g r e η ζ e r d i ο d ο η im Rückkoppiungskreis dos Verstärkers 48, werden bezüglich ihrer ,Amplitude begrenzt.

Signale zwischen dem unteren Schwellwert und dem oberen Maximum werden von der Detektordiode 66 gleichgerichtet und gefiltert durch den Kondensator 68 und den Widerstand 70. Die sich dabei ergebenden variierenden Gleichstrompotentiale werden parallel den Verstärkern 72, 90 und 92 und den Comparatoren 84, 86 und 88 zugeführt.

Die Signale mit dem niedrigsten Potential, die dem Verstärker 72 zugeführt werden und den unteren Schwellwert übersteigen, werden im Operationsverstärker 72 umgekehrt, wodurch die Größe des Ausgangssignals abnimmt. Hierdurch wird ein Signal geringer Amplitude der Basis des Transistors 76 zugeführt, die an der Verbindung zwischen den Widerständen 80 und 78 liegt, wobei diese Widerstände einen Spannungsteiler zwischen dem Speisespannungspotential +V und dem Ausgangssignal geringer Amplitude des Verstärkers 72 bilden. Demgemäß wird die Emitter-Kol1ektorstrecke des Transistors 76 leitend, sobald ein negatives Potential an seinem Kollektor liegt. Währenddessen wurde der Schwellwert des Verstärkers 84 nicht erhöht. Da das Eingangssignal an den Inverter-und Nichtinvertereingängen mit einer zum Verstärker 72 umgekehrten Polarität anliegt, und dann der Schwellwert nicht überschritten wurde, weist das Ausgangssignal niederes Potential auf. Da die Ausgangsimpedanz geringist, wird ein Gleichstromweg nach Masse gebildet. Demgemäß besteht ein kompletter Gleichstromkreis von der positiven Speisespannungsquelle + V, durch den Widerstand 82, die mit der Kollektorstrecke des Transistors

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und durch die lichtemittierende Diode 106 nach Masse. Die- lichtemittierende Diode 106 leuchtet dadurch auf.

Nunmehr sei vorausgesetzt, daß das elektrostatische Feld, das von der Antenne 4 empfangen wird, an Intensität zunimmt, wodurch der Schwellwert des !Comparators überschritten wird, da ein höherer Anteil über den Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 94 bis angelegt wird. Demgemäß liegt ein Signal hohen Potentials an seinem Eingang, wodurch der Ausgang auf ein Signal hohen Potentials wechselt. Demgemäß existiert der Strornpfad von der Diode 106 zum Ausgang des Komparators 84 nicht mehr, so daß die Anode der Diode 106 nunmehr hohes Potential annehmen würde.

Der Schwellwert des Komparators 86 wurde jedoch noch nicht überschritten, da an dessen Eingang ein Signal unterhalb des Schwellwerts anliegt, so daß der Ausgang ein niederes Potential aufweist. Demgemäß besteht nunmehr ein Stromweg von der lichtemittierenden Diode 106 durch die lichtemittierende Diode 108 zum Ausgang des Komparators 86, was bedeutet, daß die lichtemittierenden Dioden 106 und 108 aufleuchten. Jedoch leuchtet die lichtemittierende Diode 110 nicht auf, da die Potentiale an ihrer Anode und Kathode nahezu gleich sind.

Es sei nun vorausgesetzt, daß die Feldstärke weiterhin ansteigt und nunmehr auch der Schwellwert des Komparators 86 überschritten wird, so daß dessen Ausgang ein hohes Potential aufweist. Demgemäß ist nunmehr ein Stromweg vorhanden, der durch die lichtemittierenden Dioden 106,· 108 und 110 nach dem Potential -V geht und zwar wie schon zuvor beschrieben, vom Potential +V über den Widerstand 82 und die Emitterkol1ektorstrecke des Transistors 76. Demgemäß leuchten nunmehr alle drei Dioden 106, 108 und 110 auf.

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Bei einer Erhöhung des elektrostatischen Feldes leuchtet also zuerst die Diode 106, danach die Diode 108 und letztlich die Diode 110 auf. Für die Bedienungsperson ist dies eine klare Anzeige, daß die Antenne des Instruments immer mehr und näher zur Quelle des elektrostatischen Feldes gebracht wird.

Wäre das Potential +V ausreichend hoch, dann wäre keine Notwendigkeit für einen Transistor 114 vorhanden. Vielmehr könnten die zusätzlichen Komparatoren und lichtemittierenden Dioden in gleicher Weise geschaltet sein wie die Komparatoren 84 und 86 und die 1ichtemittierenden-Dioden 108 und 110. Da jedoch bei tragbaren Geräten die Batteriespannung üblicherweise 9 Volt beträgt, steht nicht ausreichend Spannung zur Verfugung, um eine entsprechend benötigte Anzahl von lichtemittierenden Dioden zu betreiben. Die Spannung, die an einer lichtemittierenden Diode anliegt, beträgt üblicherweise 2 Volt, so daß bei sechs Dioden eine Speisespannung von 12 Volt benötigt werden würde. Beträgt jedoch die Speisespannung 9 Volt, dann wird die zuvor beschriebene Schaltung verdoppelt, wobei Schalttransistoren 76 und 114 parallel zueinander betrieben werden.

Bei der Zusatzschaltung werden bei den Verstärkern 90 und 92 zusätzliche Dioden 120 und 122 vorgesehen. Diese haben die Funktion, bei relativ hohen Eingangssignalen -sicherzustellen, daß die Ausgangssignale nach Erreichen des Schwellwerts ausreichend hoch sind. In anderen Worten, die Ausgangssignale müssen ausreichend hoch sein, um die Dioden 120 und 122 in Gegenrichtung vorzuspannen, um sicherzustellen, daß bei ungeeigneten Spannungspotentialen Strompfade durch die lichtemittierende Diode 124 und durch den Verstärker 90 nach Masse oder durch die lichtemittierende Diode 126 und die Diode 122

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durch den Verstärker 92 nach Masse sich bilden.

Die Verstärker 90 und 92 würden als Stromquelle wirken, wenn die Dioden 120 und 122 nicht verwendet werden wurden.

Ebenso wie im Zusammenhang mit den lichtemittierenden Dioden 106, 108 und 110 beschrieben, leuchten die Dioden 124, 126 und 128 nacheinander auf, je näher die Antenne zur Feldquelle gebracht wird, d.h. je mehr das elektrostatische Feld ansteigt. Die Potential höhen, bei denen diese Dioden aufleuchten, können verändert werden durch Verändern der Widerstände im Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 94 bis 104.

Das aufeinanderfolgende Aufleuchten der Dioden 6 zeigt also der Bedienungsperson an, in welchem Abstand sich das Instrument von der Quelle des elektrostatischen Feldes befindet.

Es ist zu vermerken, daß die Feldintensität mit dem Quadrat von der Entfernung von der Feldquelle abnimmt. Das aufeinanderfolgende Aufleuchten der lichtemittierenden Dioden würde daher in höchstem Maße nichtlinear zum Abstand von der Quelle erfolgen, außer die Werte der Widerstände 94 bis 104 sind so gewählt, daß die Schwellwerte der entsprechenden Verstärker nichtlinear ansteigt, vorzugsweise im Quadrat der Signalspannung. Hierdurch wird die quadratische Feldzunahme bei einer Annäherung kompensiert und das Ergebnis ist ein lineares Verhältnis zwischen Abstand und der Zahl der aufleuchtenden D'iodeg.

Da die Masse des Geräts physikalisch gesehen recht klein ist, bewirkt die Kapazität zwischen dieser Masse und Erde nur eine geringe Beeinflussung der Empfindlichkeit

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des Instruments. Im Gegensatz zu den bekannten elektrostatischen Felddetektoren ist es deshalb nicht notwendig, das Gerät zu erden.

Die Gesamtempfindlichkeit kann verändert werden durch Verändern des Werts des Widerstandes 62 oder des Abgriffs zwischen den Widerständen 60 und 62. Diese Widerstände können als Potentiometer ausgeführt^sein» um die Schwellwertempfindlichkett des Instruments verändern zu können. Es ist weiterhin zu vermerken, daß anstelle der lichtemittierenden Dioden auch andere Anzeigegeräte verwendet werden können. Es ist beispielsweise möglich, die Intensität des durch die Dioden oder Lämpchen schließenden Stroms zu modulieren in Abhängigkeit der Stärke des elektrostatischen Feldes. Es ist weiterhin möglich, den Strom zu-und abzuschalten, in einer Frequenz, die sich in Abhängigkeit der Eingangsspannung ändert, so daß die Frequenz des Aufleuchtens ein Maß für den Abstand .zur Feldquelle ist. Leuchtet das Lämpchen in langsamer Folge auf, ist der Abstand groß, bei einer hohen Frequenz dagegen gering. Leuchtet das Lämpchen 15mal pro Sekunde auf, dann nimmt das Auge ein konstantes Aufleuchten wahr. Weiterhin können auch hörbare Anzeigemittel gewählt werden.

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Claims

Dipl.-Iiiii.

Patentanwalt

Rehlingenslraße S · Postfach 2fiO

D-H¹X)I) Au.Kshurii.il

Telefon OS 21/3MIb κ! 6016

tVk-x 5".V¹ ο

Ι',.|νΐ·ιΛι.ιιΐιι,ι \Ι·ιιι. ■ ι Nr !<rvl.su]

7603/01/Ch/Gr Augsburg, den 24. Mai 1978

Ansprüche

Detektor zürn Erfassen und Anzeigen eines elektrostatischen Feldes mit einer auf das Feld ansprechenden Antenne, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne an einem Verstärker hoher Eingangsimpedanz angeschlossen ist, ein Tiefpaßfilter vorgesehen ist, das die elektrostatischen Feldfrequenzen oberhalb der hochsten zu erfassenden Frequenzen unterdrückt und die am Ausgang des Tiefpaßfilters erhaltenen Signale einer Treiberschaltung zugeführt werden, die optische Anzeigemittel entsprechend der von der Antenne erfaßten Feldstärke ansteuert.
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Verstärker ein Funktionsverstärker ist, dem ein Detektor nachgeschaltet ist, dessen Ausgang am Tiefpaßfilter liegt.
3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Antenne an den Eingang eines Feldeffekttransistors angeschlossen ist, dessen Ausgang mit dem Eingang des Funktionsverstärkers verbunden ist.
4. Detektor nacn Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung einen

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ORIGINAL INSPECTED

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Komparator mit zwei Eingängen aufweist, wobei ein Eingang mit dem Ausgang des Tiefpaßfilters und der andere Eingang an ein vorbeätimmtes Potential anliegt, wobei der Komparator die optischen Anzeigemittel ansteuert, sobald das Ausyangssignal des Tief 1aßfi1ters das Potential am anderen Eingang übersteigt.
5. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung mehrere Komparatoren mit je zwei Eingängen aufweist, wobei die einen Eingänge gemeinsam am Ausgang des Tiefpaßfilters liegen und die jeweils anderen Eingänge an unterschiedlich hohen Potentialen liegen, mit den Ausgängen der Komparatoren optische Anzeigemittel verbunden sind und die Komparatoren bei anwachsender Feldstärke aufeinanderfolgend bei Übersteigen des jeweiligen Potentials am anderen Eingang die zugehörigen Anzeigemittel ansteuern.
6. Detektor nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Treiberschaltung ein Spitzendetektor geschaltet ist, der elektrostatische Feldstärkesignale mit einer Amplitude höher als einer vorbestimmten Amplitude durchläßt.
7. Detektor nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne aus einer Metallscheibe mit etwa 12,7 mm Durchmesser besteht.
8. Detektor nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne aus einem Leiter besteht, welcher elektrisch mit dem leitenden Körper eines Fahrzeugs verbunden ist.
9. Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Eingänge der Komparatoren mit

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je einem Abgriff eines Spannungsteilers verbunden sind, der zwischen einer Speisespannungsquelle geschaltet ist.
10. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e kennzeichnet, daß die Antenne auf elektrostatische Wechselstromfelder anspricht, das Wechselstromsignal der Antenne in ein im wesentlichen geglättetes Gleichstromsignal verwandelt wird und die Größe dieses Gl eichstromsignals die Stärke des elektrostatischen Felds durch optische oder höhrbare Anzeige widergibt.

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