DE4428336A1

DE4428336A1 - Würfelförmiger Sensor für die richtungsunabhängige Messung der elektrischen Ersatzfeldstärke

Info

Publication number: DE4428336A1
Application number: DE19944428336
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl Ing Bahmeier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-08-10
Filing date: 1994-08-10
Publication date: 1994-12-22

Description

Im Arbeitsschutz wird die elektrische Feldstärke gemessen, um die Einhaltung bestehender Grenzwerte zu kontrollieren. Die an Arbeitsplätzen auftretenden elektrischen Felder sind häufig elliptisch polarisiert. Dies bedeutet, daß der Vektor der elektrischen Feldstärke an jedem Punkt des Raumes eine Ellipse beschreibt. Um die Form und Lage dieser Feldstärkeellipse eindeutig zu bestimmen, ist die Messung aller drei orthogonalen Feldkomponenten nach Betrag und Phase notwendig. Da die Richtung der elektrischen Feldstärke im Arbeitsschutz jedoch keine Rolle spielt, wurde zur Vereinfachung die elek trische Ersatzfeldstärke E_e als Maß für die Gefährdung durch beliebig polari sierte elektrische Felder eingeführt (DIN VDE 0848 - Sicherheit in elektroma gnetischen Feldern). Sie ist der quadratische Mittelwert aus den Beträgen der drei orthogonalen Feldkomponenten des kartesischen Koordinatensystems:

Ein Meßgerät zur Messung der elektrischen Ersatzfeldstärke besteht übli cherweise aus einem Sensor und einem Bedien-/Anzeigegerät. Beide Kom ponenten sollten so miteinander verbunden sein (z. B. mit Lichtwellenleitern), daß das elektrische Feld nicht nennenswert gestört wird. Für eine genaue, reproduzierbare Messung muß der Sensor so weit vom Anzeigerät entfernt sein, daß das elektrische Feld am Meßort durch den Bediener nicht beeinflußt wird. Da der Bediener im allgemeinen die Richtung der Feldstärke, bzw. die Lage der Feldstärkeellipse am Meßort nicht kennt, wird die Handhabung eines E-Feldstärkemeßgeräts wesentlich erleichtert, wenn der Sensor des Feld stärkemeßgeräts richtungsunabhängig arbeitet. Das bedeutet, daß unabhängig von der Orientierung des Sensors zur Feldstärkeellipse immer der gleiche (korrekte) Ersatzfeldstärkewert angezeigt wird. Diese Richtungsunabhängig keit eines E-Feldstärkesensors wird auch "Isotropie" genannt. Um ein isotro pes Verhalten zu erreichen, sind generell alle Sensoren geeignet, die das elektrische Feld exakt in seine drei orthogonalen Feldkomponenten zerlegen.

Bisher sind folgende Sensorformen aus der Literatur bekannt, die entweder für isotrope Messungen benutzt werden oder prinzipiell für isotrope Messun gen geeignet sind:

Orthogonale Dipole

G. Gerbi, D. Golzio - "A new EM Field Sensor for Radiation Hazard and EMI Measurements" - IEEE 1985 International Symposium on Electromagnetic Compatibility, S. 142-146
M. Kanda, F. X. Ries - "A Broadband Isotropic Real-Time Electric-Field Sensor (BIRES) using Resistively Loaded Dipoles" - IEEE Transactions on Electroma gnetic Compatibility, August 1981, S. 122-132
M. J. Johnson, E. L. Bronaugh - "Small Electromagnetic Field Sensor Systems - An Overview" - IEEE 1982 International Symposium on Electromagnetic Compatibility, S. 140-145
J. Randa, M. Kanda, R. D. Orr - "Resistively-Tapered-Dipole Electric-Field Probes up to 40 GHz" - IEEE 1991 International Symposium on Electroma gnetic Compatibility, S. 265-266
T. Lange, W. Storbeck - "Meßsystem zur Erfassung elektrischer Felder im Frequenzbereich nach Betrag und Richtung" - Elektromagnetische Verträglich keit ′94, Karlsruhe 1994, S. 784-795

Würfelförmige Sensoren mit langen Stabantennen

D. Hoff, K.- H. Türkner - "Feldstärkemeßsonde zur Beurteilung der Personen gefährdung im Nahfeld von leistungsstarken Funksendern" - Rundfunktechni sche Mitteilungen, Jahrgang 27 (1983), Heft 4, S. 171-178
H. I. Bassen, G. S. Smith - "Electric Field Probes - A Review" - IEEE Trans actions on Antennas and Propagation, September 1983, S. 710-718

Kugelförmige Sensoren

W. R. Pfaff - "Freifeldsensoren zur Messung beliebiger Feldstärkevektoren" Elektro-Magnetische Verträglichkeit ′88, Karlsruhe 1988, S. 355-366
K. Feser, W. Pfaff - "A Potential Free Spherical Sensor for the Measurement of Transient Electric Fields" - IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems, October 1984, S. 2904-2911
F. Gassmann - "Messung der echten Strahlungsdichte durch gleichzeitige E- und H-Felderfassung im Bereich 75 kHz bis 30 MHz" - Elektro-Magnetische Verträglichkeit ′92, Karlsruhe 1992, S. 697-705

Orthogonale Dipole weisen kein ideal isotropes Verhalten auf, da die immer vorhandenen Zuleitungen oder Auswerteschaltungen die Isotropie stören. Da bei orthogonalen Dipolen sehr kleine Bauformen möglich sind, werden sie vor allem bei hohen Frequenzen (GHz) eingesetzt.

Würfelförmige Sensoren mit langen Stabantennen entsprechen in ihrer Wir kungsweise (Isotropie) orthogonalen Dipolen, da die Antennen im Vergleich zum Gehäuse relativ groß sind. Durch ihre Größe sind sie für tragbare Feld stärkemeßsysteme kaum geeignet. Ihr Verhalten bei hohen Frequenzen ist schlecht und sie sind schwierig zu kalibrieren.

Kugelförmige Sensoren können theoretisch ein ideal isotropes Verhalten auf weisen. Ihre Herstellung ist jedoch relativ aufwendig.

Bei der im Patentanspruch angegebenen Erfindung handelt es sich um einen Sensor zur richtungsunabhängigen Messung der elektrischen Ersatzfeldstärke. Der Sensor besteht aus einem metallischen, würfelförmigen Gehäuse. Im Unterschied zu bisher bekannten würfelförmigen E-Feldsensoren sind auf seiner Oberfläche jedoch keine Stabantennen angebracht, sondern flächige Elektroden. Sämtliche Schaltungen, die zur Auswertung der an den Elektroden auftretenden Meßspannungen notwendig sind, befinden sich im Innern des Sensorgehäuses und haben daher keinen Einfluß auf das elektrische Feld.

Der beschriebene Sensor vereinigt die Vorteile der oben erwähnten, herkömm lichen Sensoren auf sich. Im einzelnen sind dies:

- ideale Isotropie (vom Erfinder theoretisch und meßtechnisch nach gewiesen),
- kleine Bauform (Kantenlänge < 10 cm möglich),
- mechanische Stabilität,
- einfache Herstellbarkeit,
- Schutz der elektronischen Schaltungen im Sensor vor starken elek trischen Feldern.

Durch die kleine Bauform ist der Sensor hervorragend für die Verwendung in tragbaren Feldstärkemeßsystemen (Arbeitsschutz) geeignet und kann auch für Messungen bei hohen Frequenzen (bis cirka 200 MHz) eingesetzt werden. Die Kalibrierbarkeit des Sensors wird durch die kleine Bauform wesentlich erleich tert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt (Fig. 1).

Die flächigen Elektroden, die sich auf allen sechs Seiten des Würfels befinden, sind mit Hilfe von isolierenden Abstandshaltern aus Kunststoff fest mit dem metallischen Sensorgehäuse verbunden. In einem elektrischen Feld entsteht an jeder Elektrode gegenüber dem Sensorgehäuse eine Meßspannung (Wech selspannung), die proportional zu der Komponente des elektrischen Feldes ist, die senkrecht zur Elektrode verläuft. An drei zueinander orthogonal verlaufen den Elektroden werden die Meßspannungen abgenommen.

Die an einer Elektrode auftretende Meßspannung gelangt über eine Koaxiallei tung zur zugehörigen Empfangsschaltung. Der Mittelleiter der Koaxialleitung ist mit der Elektrode verbunden (Fig. 2). Der Außenleiter ist am Sensorgehäu se angeschlossen. Die drei Meßspannungen werden getrennt verarbeitet und gleichgerichtet (Fig. 3). Ihr Effektivwert wird über drei Lichtwellenleiter zur Auswerteeinheit übertragen. Dort wird mit Hilfe eines Rechners der quadrati sche Mittelwert gebildet. Das Einschalten des Sensors erfolgt über einen vierten Lichtwellenleiter.

Claims

1. Sensor für die richtungsunabhängige Messung der elektrischen Ersatz feldstärke, dadurch gekennzeichnet, daß er würfelförmig ist.

2. Sensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite flächige Elektroden (Antennen) zur Messung der orthogonalen Komponenten des elektrischen Feldes angebracht sind.