DE3019034A1

DE3019034A1 - Verfahren zur messung der spezifischen kapazitaet eines kabels, sowie schaltung und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE3019034A1
Application number: DE19803019034
Authority: DE
Inventors: Stefan Biel Zgorski
Original assignee: Zumbach Electronic AG
Current assignee: Zumbach Electronic AG
Priority date: 1979-10-15
Filing date: 1980-05-19
Publication date: 1981-04-30
Also published as: AU538499B2; GB2060907B; US4424480A; BE885573A; AU6320380A; IT1132935B; GB2060907A; FR2472758A1; JPS5663273A; DE3019034C2; CA1157097A; JPH027432B2; CH641278A5; FR2472758B1; IT8025220A0

Description

Verfahren zur Messung der spezifischen Kapazität eines Kabels, sowie Schaltung und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der spezifischen Kapazität eines Kabels mittels einer zylindrischen Messelektrode und koaxial beidseitig derselben liegender Abschirmelektroden, wobei das Kabel in Axialrichtung durch diese Elektroden hindurchgeführt wird und eine Wechselspannung zwischen Elektroden und dem Kabelleiter fliessende kapazitive Strom gemessen wird, sowie eine Schaltung und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Solche Messverfahren zur Ermittlung der spezifischen Kabelkapazität auf einer bestimmten Länge sind bekannt, wobei die Elektroden im Wasserbad angeordnet werden. Die spezifische Kapazität wird hierbei mit Hilfe des in der Anschlussleitung zur Messelektrode fliessenden Wechselstromes ermittelt. Diese Messung ist jedoch nur zuverlässig und richtig, wenn selbst für etwas schwankende Wasserqualitäten, insbesondere Wasserleitfähigkeiten, keine Stromänderungen auftreten.

Dies bedeutet wiederum, dass insbesondere die Abschirmelektroden mit Hilfe von Verstärkern und zugeordneten Netzwerken auf einer nach Grosse und Phase genau mit der Spannung an der Messelektrode übereinstimmenden Spannung gehalten werden müssen. Auch die weiteren Abschirmungen innerhalb des Messwerks müssen auf einer entsprechenden Spannung gehalten werden, um Aenderungen des kapazitiven Stromes zwischen der Messelektrode und äusseren Teilen

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der Messvorrichtung, beispielsweise dem Trog, in welchem sich das Wasser befindet, zu verhindern. Es ist relativ schwer, alle diese Bedingungen ideal einzuhalten, vor allem wenn die elektrischen Eigenschaften des Wassers sich im Laufe der Zeit ändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Schwierigkeiten zu vermeiden. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass je zwischen einem Ende der Messelektrode und der anliegenden Abschirmelektrode der Strom im Kabelleiter erfasst wird, und dass die Differenz der Ströme zur Ermittlung der spezifischen Kapazität ausgewertet wird. Durch das Verfahren wird die Differenz des im Kabelleiter zwischen den beiden Enden der Messelektrode auftretenden Ströme gemessen und diese Differenz entspricht exakt dem zwischen dem Kabelleiter und der Messelektrode fliessenden kapazitiven Strom. Dabei ist zu beachten, dass die Differenz von Strömen, deren definierte Richtungen im Kabelleiter dieselbe ist, gebildet wird.

Eine erfindungsgemässe Schaltung zur Durchführung des Verfahrens ist derart gestaltet, dass ein Oszillator mit der Messelektrode und den Abschirmelektroden verbunden ist, dass der Kabelleiter mindestens einseitig über eine Impedanz mit Masse verbunden ist und zwei Wandler durchsetzt, deren Ausgangskreise gegeneinander geschältet und mit einer Messvorrichtung verbunden sind. Hierdurch wird - wie weiter unten dargelegt ist - ein ausserordentlich einfacher Aufbau ermöglicht.

Man darf annehmen, die erfindungsgemässe Anordnung sei .völlig symmetrisch aufgebaut, d.h. etwaige zusätzliche kapazitive Ströme, welche die Stromwandler durchsetzen und in denselben magnetischen

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stellen eine weitere Sekundärwindung auf jedem der Ringkerne 9 dar. Mit Zl und Zl¹ sind die Impedanzen zwischen der Messelektrode 6 und je einer der Abschirmelektroden 5 bezeichnet, während mit Z2 und Z2^r je die Impedanz zwischen einer der Abschirmelektroden und dem Aussengefäss oder Trog der Messanlage bezeichnet ist.

Bei der Messung wird, wie bereits erwähnt, eine Wechselspannung verhältnismässig hoher Frequenz an die Messelektrode 6 und damit über die Ringe 4 auch an- die Abschirmelektroden 5 angelegt. Die Abschirmelektroden haben hierbei die Aufgabe, das zwischen der Messelektrode 6 und dem Kabelleiter 12, der mindestens einseitig über eine genügend kleine Impedanz mit Masse verbunden ist, entstehende elektrische Feld an den Rändern genau zu begrenzen, um damit die Messtrecke genau festzulegen. Die zwischen den Elektroden 5 und 6 und dem Kabelleiter 12 fliessenden kapazitiven Ströme gelangen alle über den Kabelleiter zum geerdeten Ende desselben. Durch den Ringkern ' 9 rechts in Fig. 1 fliesst somit der kapazitive Strom aus der Abschirmelektrode 5 am rechten äusseren Ende. Durch den Ringkern 9 des in Fig. 1 links liegenden Messwandlers fliesst dagegen die Summe der kapazitiven Ströme, die von rechts liegenden Abschirmelektrode 5 und von der Messelektrode 6 herrühren. Da somit in beiden Messwandlern der kapazitive Strom von der rechts liegenden Abschirmelektrode fliesst, heben sich diese Ströme bei der Messung auf und der Strom am Ausgang entspricht dem kapazitiven Strom zwischen der Messelektrode 6 und dem Kabelleiter. Die Ströme in den Impedanzen Z2 und Z2¹ beeinflussen die Strom-

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wandler und somit die Messung nicht. Ein gewisses Problem stellt dagegen- die Tatsache dar, dass die Ringe 4 eine Sekundärwindung darstellen, die auf die Impendanz Zl bzw. Zl¹ wirkt. Da diese Impedanzen von den elektrischen Eigenschaften des Wassers abhängig sind, tritt hier ein nicht völlig konstant zu haltender Einfluss auf die Messung auf. Es ist daher erforderlich, die transformierte Impedanz von Zl bzw* Zl¹ so gering als möglich zu halten. Das kann gemäss Fig. 3, 4 und 5 dadurch geschehen, dass die Messwandler mit Gegenkopplungswicklungen versehen werden. Gemäss Fig. 3 sind die Sekundärwicklungen 10 mit dem Eingang je eines Verstärkers 16 verbunden, dessen Ausgang über eine Gegenkopplungswicklung 17 mit dem gemeinsamen Ausgang 18 verbunden ist. Damit wird nun eine sehr niedrige Impedanz am Eingang der Verstärker und ein geringer magnetischer Fluss in den Ringkernen

9 erzielt ₍ wodurch bei angemessener Messempfindlichkeit der Einfluss der Sekundärwindungen 4 und der Impedanzen Zl und Zl-¹ vernachlässigbar gering gehalten werden können. . '

Fig..4 zeigt eine entsprechende Anordnung mit einem einzigen Verstärker 16, dem der Differenzstrom der Sekundärwicklungen

10 zugeführt wird. Der Ausgang des Verstärkers ist über zwei in Serie geschaltete Gegenkopplungswicklungen 17 mit dem gemeinsamen Ausgang 18 verbunden, welcher mit einer Messbrücke oder einer Vorrichtung zur Absolut-Strommessung verbunden ist. \ -.-■■"..."■ "

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Fig. 5 zeigt eine'weitere Variante, bei welcher ebenfalls ein Verstärker 16 vorgesehen ist, dessen ?iusgang über parallel geschaltete Gegenkopplungswicklurigen 17 mit dem gemeinsamen Ausgang 18 verbunden ist.

Es sind weitere Ausführungsvarianten möglich. Die Ring-kerne der Messwandler können innerhalb der Elektroden 5 und 6, also zwischen die Elektroden und den Kabeln angeordnet werden. Im Extremfalle können die Elektroden 5 und 6 durch eine einzige, hohlzylindrische Elektrode ersetzt werden, in die in bestimmten Abständen von den Enden gleichartige Stromwandler eingesetzt sind. Die axial ausserhalb der Stromwandler liegenden Elektrodenteile dienen als Abschirmelektroden, und es wäre bei genügend langer Ausbildung derselben für ein homogenes Feld im Bereiche der Messwandler gesorgt. Bei starrer Konfiguration der Messwandler und der Elektrode ergeben sich stets gleichbleibende Messbedingungen.

Es braucht nicht jeder Ringkern mit einer Gegenkopplungswicklung versehen zu sein. Es- kann genügen, auf einem Ringkern eine solche Wicklung anzubringen, sofern der darin fliessende Gegenkopplungsstrom richtig bemessen ist.

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Fluss induzieren könnten, seien völlig symmetrisch, sodass sich ihre Wirkungen vollständig kompensieren.

Der mögliche Einfluss solcher Ströme, die übrigens infolge der Leitfähigkeit des Wassers auch ohmsche Anteile aufweisen können, werden vorzugsweise weiter dadurch herabgesetzt, dass^;jeder Ringkern eine Gegenkopplungswicklung trägt, die mit dem Ausgang eines Messverstärkers verbunden ist. Damit werden die magnetischen Felder in den Ringkernen und die in den Messwandlern induzierten Spannungen bzw. Ströme auf ein Minimum herabgesetzt, wodurch eventuelle störende Einflüsse der erwähnten Fremd- oder Streuströme weiter herabgemindert werden können.

Die erfindungsgemässe Lösung erlaubt nun einen äusserst einfachen Aufbau der Messvorrichtung, indem die Abschirmelektroden je durch einen den benachbarten Ringkern aussen umfassenden Leiter direkt mit der Messelektrode verbunden sein können. All die eingangs erwähnten Verstärker und Netzwerke zum Betrieb der Abschirmelektroden mit einer Spannung die derjenigen der Messelektrode genau entspricht fallen weg.

Gegebenenfalls kann die Anordnung noch weiter vereinfacht und der Einfluss eventueller asymmetrischer Streuströme noch weiter eingedämmt werden, wenn die Ringkerne nicht ausserhalb sondern innerhalb der Elektroden zwischen denselben und dem Kabel angeordnet werden.

Obwohl Stromwandler mit Messwicklung eine vorteilhafte Lösung ' ermöglichen, können die Ströme auch anders ermittelt werden. In Lücken der Ringkerne der Wandler, können beispielsweise FeId- - -■ ■ ■·■■■."■■ ^! i"

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platten eingesetzt und ihre Ausgangskreise gegeneinandergesehaltet sein.

Nachstehend ist die Erfindung im Bezug auf. die Zeichnung beispielsweise näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen teils schematischen Längsschnitt durch die Messvorrichtung

Fig. 2 ein äquivalentes elektrisches Schema der Messvorrichtung und

Fig. 3 bis 5 Mess- und Gegenkopplungsschaltungen

Die in Fig. 1 dargestellte Messvorrichtung weist in einem Kunststoffgehäuse. 1 mit Stutzen 2 ein System von direkt miteinander verbundenen Leitern und Elektroden auf. Ein Anschluss- und Zuführungsleiter der zugleich als Abschirmung wirkt _r weist einen der Form des Gehäuses 1 entsprechenden zylindrischen Teil 3a und einen der Form des Stutzens 2 angepassten Teil 3b auf. An den Enden des Leiterteils 3a befinden sich leitende Ringe 4 ü-förmigen Querschnitts, wobei jeweils der äussere Flansch des Ringes mit einer zylindrischen, äusseren Abschirmelektrode 5 und der innere Flansch mit einer mittleren zylindrischen Messelektrode 6 verbunden ist. Die Elektroden 5 und 6 weisen gleichen Durchmesser auf und sind koaxial angeordnet. Die Elektroden 5 und 6 sind je durch einen Ring 7 aus Isoliermaterial miteinander verbunden, aber elektrisch voneinander getrennt, wobei ein Spalt 8 genau gleicher Breite bzw. axialer Länge zwischen der Messelektrode und je einer der Abschirmelektroden 5 liegt.-Symmetrisch zu den Spalten 8 sind-ausserhalb derselben

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Ringkerne 9 je eines Stromwandlers angeordnet, welche Ringkerne an einer Stelle eine Messwicklung 10 angemessener Windungszahl tragen. Die Anschlussleiter dieser Messwicklungen 10 sind durch Oeffnungen der Ringe 4 durchgeführt und mit einem im Inneren des Gehäuses angeordneten Messverstärker 11 verbunden. Die schematisch angedeuteten Verbindungen und Wicklungen können weitere Leiter und je eine Gegenkopplungswicklüng aufweisen, wie später noch erläutert wird. Das Kabel, dessen Leiter 12 und Isolation 13 ersichtlich sind, wird in Längsrichtung bzw. Axialrichtung durch die Elektroden 5 und 6 durchgeführt. Der Leiter 3a ist vorteilhaft aber nicht unbedingt erforderlich.

Fig. 2 zeigt ein elektrisches Schaltbild zur Erläuterung der Funktionsweise der Messvorrichtung nach Fig. 1. Die Schaltung weist einen Oszillator 14 auf, der mit einer Frequenz von beispielsweise 20 kHz eine bestimmte Spannung zwischen der Masse und den elektrisch leitenden Teilen 3a, 3b, 4, 5 und 6 im Gehäuse 1, 2 anlegt. Zur Masse gehört insbesondere auch das elektrisch leitende Gefäss, in welchem sich das Wasser und die darin eingetauchte Vorrichtung nach Fig. 1 befinden. Die Kapazität G stellt die zu ermittelnde Kapazität zwischen der Messelektrode 6 und dem Kabelleiter 12 dar. Der Kabelleiter 12 stellt je eine Primärwindüng 12 auf den beiden Ringkernen 9 dar, während die beiden Wicklungen 10 die sekundären Messwicklungen darstellen. Sie sind entgegengesetzt in den AusgangsStromkreis geschaltet und mit einer Impedanz 15 belastet. Der Ausgang ist mit einem in Fig.2 nicht dargestellten Verstärker und einer Messvorrichtung zur Ermittlung des Differenzstromes verbunden. Die leitenden Ringe.A-

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Claims

WILLY LORENZ

Patentanwalt

Hubertusstraße 83^!/₂

Willy Lorenz, Postfach 1320, D-8035 Gauting D-8035 Gauting

« München(089) 8506036* ΐ BREVET ' Telex 5 21707 lore d Telekopierer X400

Zumbach Electronic AG Datum: 19· Mai 1980

CH-2552 Orpund Meine Akte: ζ 49-j,DE

PATENTANSPRUECHE:

(^ I)/Verfahren zur Messung der spezifischen Kapazität eines Kabels mittels einer zylindrischen Messelektrode und koaxial beidseitig derselben liegender Abschirmelektroden, wobei das Kabel in Axialrichtung durch diese Elektroden hindurchgeführt wird und eine Wechselspannung zwischen Elektroden und dem Kabelleiter angelegt und der zwischen der Messelektrode und dem Kabelleiter fliessende kapazitive Strom gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass je zwischen einem Ende der Messelektrode (6) und der anliegenden Abschirmelektrode (5) der Strom im Kabelleiter (12) erfasst wird, und dass die Differenz der Ströme zur Ermittlung der spezifischen Kapazität ausgewertet wird.
2) Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oszillator (14) mit der Messelektrode (6) und den Abschirmelektroden (5) verbunden ist, dass der Kabelleiter (12) mindestens einseitig über eine Impedanz mit

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Masse verbunden ist und zwei Wandler durchsetzt, deren Ausgangskreise (10) gegeneinander geschaltet und an eine Messvorrichtung angeschlossen sind.
3) Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Sekundärwicklungen (10) der Wandler mit dem Eingang je eines Verstärkers (16) verbunden sind, deren Ausgänge über Gegenkopplungswicklungen (17) an einem gemeinsamen Ausgang (18) liegen (Fig. 3).
4) Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzstrom zweier Sekundärwicklungen (10) des Wandlers dem Eingang eines Verstärkers (16) zugeführt ist, dessen Ausgang über zwei hintereinander geschaltete Gegenkopplungswicklungen (17) mit dem gemeinsamen Ausgang verbunden ist.
5) Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzstrom von Sekundärwicklungen (10) des Wandlers dem Eingang eines Verstärkers (16) zugeführt ist, dessen Ausgang über parallel geschaltete Gegenkopplungswicklungen (17) mit dem gemeinsamen Ausgang (18) verbunden ist.
6) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Stromwandler vorgesehen sind, deren Ringkerne (9) koaxial zu den Elektroden (5,6) im Bereich zwischen der Messelektrode (6) und je einer der Abschirmelektroden (5) liegen und deren Ausgänge (10) gegeneinander geschaltet sind.
7) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmelektroden (5) je durch einen den benachbarten Ringkern aussen umfassenden Leiter (4) direkt mit der Messelektrode (6) verbunden sind.

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8) Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (4) als Ringleiter U-förmigen Querschnitts, der die Elektroden (5,6) umfasst, ausgebildet ist.
9) Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ringkern (9) eine Gegenkopplungswicklung (17) trägt, die am Ausgang eines Messverstärkers (16) liegt.
10) Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkerne (9) innerhalb der Elektroden (5,6), zwischen denselben und dem Kabel (12, 13) liegen. ""'.; ■
11) -Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Stromwandler (9.10) mit je einer Messwicklung (10) vorgesehen sind.
12) Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Stromwandler vorgesehen sind, in deren magnetisierbarein Ringkern je mindestens eine Mess-Feld-Platte eingesetzt ist.

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