DE60222493T2

DE60222493T2 - Verfahren und Vorrichtung zur kontaktlosen Messung einer Spannung, und zugehörige Detektionssonde

Info

Publication number: DE60222493T2
Application number: DE60222493T
Authority: DE
Inventors: Koichi Nishinomiya-shi NAKANO
Original assignee: Hokuto Electronics Inc
Current assignee: Hokuto Electronics Inc
Priority date: 2001-04-04
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2022-04-04
Also published as: US6825649B2; EP1249706A3; EP1249706B1; EP1249706A2; JP2002365315A; US20020167303A1; DE60222493D1; JP3761470B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Benützung einer Detektionssonde und eine Vorrichtung zum Messen von einer Wechselspannung, welche an einem Leiter angelegt ist, der durch Isolierung isoliert ist, wie beispielsweise ein vinylisoliertes elektrisches Kabel, ohne den Leiter zu berühren.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Die US 5 473 244 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen von Spannungen und Strömen von leitenden Elementen, wie Drähten, Kabeln und ähnlichem, während das Element nicht berührt wird. Eine Abtastelektrode ist angeordnet, um den Draht zu umgeben. Die Vorrichtung umfasst Sensoren, welche in einem elektrischen Feld des leitenden Elements angeordnet sind. Jeder Sensor ist durch eine Koppelkapazität an das leitende Element gekoppelt. Eine Referenzquelle betreibt die Anordnung von Kapazitätensensoren mit einer Referenzfrequenz. Ein Messnetzwerk berechnet die Koppelkapazität anhand einer Messung des Referenzstromes und bestimmt schließlich die Spannung im leitenden Element basierend auf dem ersten Strom und der Koppelkapazität.
Die US 4 714 893 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen des Potentials eines Leiters einer Hochspannungsleitung. Das Schätzmodul umfasst eine Gelenkschelle, welche von einem isolierten Stab bedient wird und einen Spannungssensor, welcher den Strom zwischen einer isolierten Kondensatorplatte und Erde misst. Ein lokaler Empfänger leitet die gewünschten elektrischen Messungen wie Spannung, Stromstärke, Leistungsfaktor, Leistung und Blindleistung her und überträgt sie an lokale und entfernte Kontrollstationen.
Herkömmlicherweise wird bei der Messung einer Spannung eines kommerziellen Wechselstromes (Speisung), welche an einem isolierten elektrischen Draht angelegt ist, im Wesentlichen ein Wechselstromvoltmeter verwendet.
Bei einem Verfahren, welches ein herkömmliches Wechselstromvoltmeter verwendet, war es jedoch notwendig, einen Teil der Isolierung des isolierten elektrischen Drahtes wegzuschneiden oder von vornherein einen Anschluss für die Messung zur Verfügung zu stellen, da es erforderlich ist, eine Messelektrode in Kontakt mit dem Leiter zu bringen.
Der Anmelder der vorliegenden Anmeldung hat bereits ein kontaktloses Spannungsmessverfahren und eine Vorrichtung, welche bei niedrigen Spannungen arbeitet und tragbar ist, vorgeschlagen ( japanisches Patent Nr. 3158063 ).
13 ist ein Blockdiagramm, welches den Aufbau einer kontaktlosen Spannungsmessvorrichtung 80 aus dem Stand der Technik zeigt, und 14 ist ein Ersatzschaltbild von wesentlichen Teilen der Spannungsmessvorrichtung 80.
In 13 umfasst die Spannungsmessvorrichtung 80 einen Detektionswiderstand R1, eine Detektionssonde 11, einen Oszillator 12, einen Strommessabschnitt 13j, einen Bandpassfilter 21, einen Gleichrichter 22, einen Kapazitätenberechnungsabschnitt 23, einen Detektionsabschnitt 24 für potentialfreie Kapazität, einen Schalter 25, einen Tiefpassfilter 26, einen Integrator 27 und einen Teiler 28.
Die Detektionssonde 11 ist mit einer Detektionselektrode 111 zum elektrostatischen Abschirmen eines Teils des Leiters CD durch Abdecken eines Teils der Oberfläche der Isolation SL eines elektrischen Drahtes WR von außen, und einer Schirmelektrode 112 zur elektrostatischen Abschirmung der Detektionselektrode 111 von außen, versehen. Die Impedanz Zw zwischen der Detektionselektrode 111 und dem Leiter CD wird mit der Detektionssonde 11 gemessen. In der Praxis wird der Blindwiderstand XC1, nämlich Kapazität C1, anstelle der Impedanz Zw gemessen.
Die zusammengesetzte Kapazität aufgrund der Kapazität zwischen der Sondenelektrode 111 und der Schirmelektrode 112, der potentialfreien Kapazität aufgrund der elektrischen Verdrahtung zu den Detektionswiderstand R1 und andere potentialfreie Kapazitäten werden C0 genannt und der Blindwiderstand aufgrund davon wird XC0 genannt. Die Kapazität C0 wird manchmal als "potentialfreie Kapazität C0" bezeichnet.
Elektrischer Strom, der vom Oszillator 12 durch den Detektionswiderstand R1 in die Detektionselektrode 111 fließt, wird mit Is bezeichnet und elektrischer Strom, der aus der Detektionselektrode 111 in Richtung des Ozillators 12 austritt, ist mit Ix bezeichnet. Innerhalb des Stromes Is existiert ein Strom Is₀, welcher durch die potentialfreie Kapazität C0 zum Erdanschluss fließt und ein Strom Is₁, der durch die Kapazität C1 und den Leiter CD zum Erdanschluss fließt.
Der Oszillator 12 sendet beispielsweise ein 5KHz-Sinuswellensignal einer bestimmten Spannung Es aus. Der Stromdetektionsabschnitt 13j erfasst Strom, der in die Detektionselektrode 111 fließt und Strom, welcher aus der Dtektionselektrode 111 austritt und gibt ein Signal S1 aus.
Innerhalb des Signals S1, welches vom Stromnetzabschnitt 13j ausgegeben wird, erlaubt der Bandpassfilter 21 nur eine Komponente aufgrund des Signals Es des Oszillators 12 durchzukommen. Der Detektionsabschnitt 24 für potentialfreie Kapazität misst und speichert die potentialfreie Kapazität C0, wobei die Detektionssonde 11 vom elektrischen Draht WR beabstandet ist. Der Kapazitätenberechnungsabschnitt 23 berechnet die Kapazität C1 basierend auf einem Signal S3, welches vom Gleichrichter 22 ausgegeben wird, wobei die Oberfläche der Isolierung SL von der Detektionssonde 11 bedeckt ist, und der potentialfreien Kapazität C0, die in dem potentialfreien Kapazitätendetektionsabschnitt 24 gespeichert ist. Die erhaltene Kapazität C1 wird an den Teiler 28 als ein Signal S4 ausgegeben.
Innerhalb des Signals S1, das von dem Stromdetektionsabschnitt 13j ausgegeben wird, erlaubt der Tiefpassfilter 26 bloß einer Komponente, die durch die Spannung Ex, welche an den Leiter CD angelegt ist, hervorgerufen wird, durchzukommen. Der Integrator 27 integriert ein Signal S5, welches vom Tiefpassfilter 26 ausgegeben wird. Auf diese Art wird die Phasenkompensation der Wellenform des Signals durchgeführt. Der Teiler 28 erhält eine Spannung Ex durch Teilung des Signals S6 (Erx), das vom Integrator 27 ausgegeben wird, durch das Signal S4 (Kapazität C1), welches von den Kapazitätenberechnungsabschnitt 23 ausgegeben wird.
Zuerst wird die potentialfreie Kapazität C0 gemessen, wobei die Detektionssonde 11 sich in einem geöffneten Zustand befindet. Die Impedanz Z0, welche von der Seite des Oszillators 12 gesehen wird, ist: Z0 = R1 + jXC0
Da jedoch der Detektionswiderstand R1 verglichen mit dem Blindwiderstand XC0 ignoriert werden kann, wird aus der Impedanz Z0: Z0 = XC0
Gleichermaßen ergibt sich für den Strom Is₀, welcher in die portentialfreie Kapazität C0 fließt, aufgrund des Signals Es, das vom Ozillator 12 ausgegeben wird: Is0 = Es/Z0 = Es/XC0 (1)
Wobei eine Spannung Er über die zwei Enden des Detektionswiderstandes R1 aufgrund dieses Stromes gegeben ist durch: Er = Is0·R1 = (Es·R1)/XC0 (2)und daher: XC0 = (Es·R1)/Er C0 = (Es·R1)/ωs·Er (3)
Ein Wert der potentialfreien Kapazität C0 erhalten aus diesen Formeln (3) wird in dem potentialfreien Kapazitätendetektionsabschnitt 24 gespeichert. Danach wird die Kapazität C1 gemessen, wobei die Detektionssonde 11 geschlossen ist.
Die Kapazität C1 erhöht sich durch die Tatsache, dass die Detektionselektrode 111 den elektrischen Draht Wr abdeckt. Dementsprechend ist die Impedanz Zw, welche vom Oszillator 12 aus gesehen wird: Zw = R1 + jXCc (4)unter der Vorraussetzung, dass Cc = C0 + C1
Da der Detektionswiderstand R1 klein verglichen mit dem Blindwiderstand XCc ist und ignoriert werden kann, ist Zw = XCc
Dementsprechend ist der Strom Is der in dem Detektionswiderstand R1 aufgrund des Signals Es, das vom Oszillator 12 ausgegeben wird, fließt: Is = Es/Zw = Es/XCc (5)
Wobei die Spannung Er, welche sich über die zwei Enden des Detektionswiderstandes R1 durch diesen Strom entwickelt, gegeben ist durch: Er = Is·R1 = (Es·R1)/XCc (6)
Folglich, da: XCc = (Es·R1)/Er und XCc ist ωs(C0 + C1) C0 + C1 = (Es·R1)/ωs·Er (7)
Ein Wert der Kapazität (C0 + C1), welcher durch diese Formel (7) erhalten wird, wird als ein Signal S3 dem Kapazitätenberechnungsabschnitt 23 eingegeben. Im Kapazitätenberechnungsabschnitt 23 wird die Kapazität C1 durch Abziehen des Werts der potentialfreien Kapazität C0, welche in dem potentialfreien Kapazitätendektektionsabschnitt 24 gespeichert ist, von dem Eingabewert der Kapazität (C0 + C1) erhalten und dies wird an den Teiler 28 ausgegeben.
Im Anschluss wird eine Spannung Er, welche sich über die zwei Enden des Detektionswiderstandes R1 entwickelt, die der Spannung Ex, welche an den Leiter CD angelegt ist, zugeordnet werden kann, erhalten, wobei die Detektionssonde 11 geschlossen ist.
Die Impedanz Zx des Schaltkreises durch den Detektionswiderstand R1, wie er von der Leiterseite CD gesehen wird, ist: Zx = R1 + jXC1 (8)
Da der Detektionswiderstand R1 klein verglichen mit dem Blindwiderstand XC1 ist und ignoriert werden kann, Zx = XC1
Demgemäß wird der Strom Ix, welcher in den Detektionswiderstand R1 aufgrund der Spannung Ex, welche an den Leiter CD angelegt ist, fließt: Ix = Ex/Zx = Ex/XC1 (9)
Eine Spannung Er, welche durch diesen Strom über die zwei Enden des Detektionswiderstandes R1 entsteht, ist: Er = Ix·R1 = (Ex·R1)/XC1 = ωx·C1X(Ex·R1) (10)
Ein Wert der Spannung Er (Ers), welcher von dieser Formel (10) erhalten wird, wird dem Teller 28 als ein Signal S6 eingegeben. Die Spannung Ex ist durch den Teiler 28, erhalten durch Teilen der Eingangsspannung Er, durch einen Koeffizienten, welcher die Kapazität C1, die von dem Kapazitätenberechnungsabschnitt 23 ausgegeben wird, umfasst. Das heißt, Ex = Er/(ωx·C1·R1) (11)wird erhalten.
Wird jedoch eine Spannungsmessvorrichtung 80 des Standes der Technik, wie oben beschrieben, benützt, existiert ein Einfluss der potentialfreien Kapazität zwischen der Detektionselektrode 111 und der Schirmelektrode 112 und der potentialfreien Kapazität aufgrund der Verkabelung. Deshalb ist es notwenig die potentialfreie Kapazität C0 mittels der Detektionssonde 11, welche von dem elektrischen Kabel WR beabstandet ist, zu messen und für die Messung ist Zeit notwendig.
Die potentialfreie Kapazität C0 ist auch nicht konstant und verändert sich in Abhängigkeit vom Durchmesser des Leiters CD den Bedingungen des Anpassens des Leiters CD an die Detektionssonde 11, den Bedingungen, welche die Detektionssonde 11 umgeben, etc. Messfehler treten aufgrund von Schwankungen der potentialfreien Kapazität C0 auf. Die insgesamte Messgenauigkeit ist durch Messfehler der potentialfreie Kapazität C0 beeinträchtigt.
Es wurde nur die Kapazität C1 als Impedanz Zw der Insulation SL des elektrischen Kabels WR gemessen, aber in der Praxis ist diese Messung durch einen Leckwiderstand der Isolation SL (Isolationswiderstand) beeinträchtigt. Insbesondere sinkt der Isolationswiderstand der Isolation SL, wenn die Temperatur des elektrischen Kabels WR steigt und dieser Effekt kann nicht ignoriert werden und verursacht Messfehler.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es ein kontaktloses Spannungsmessverfahren und eine Detektionssonde, welche mit diesem Verfahren und der Vorrichtung verwendet wird, zur Verfügung zu stellen, welche nicht von potentialfreien Kapazitäten beeinträchtigt wird und welche bei einfacher Bedienung und ohne der Messung von potentialfreien Kapazitäten auf kontaktlosem Wege eine Spannung messen kann.
Als Erfindung wird eine kontaklose Spannungsmessvorrichtung zum Messen einer an einen durch einen Isolator isolierten Leiter angelegten Wechselspannung, ohne den Leiter zu berühren, beschrieben, umfassend:
eine Detektionssonde, welche mit einer Detektionselektrode versehen ist, welche durch Abdeckung eines Teiles der Oberfläche der Isolation von außen einen Teil des Leiters elektrostatisch abschirmen kann, wobei die Vorrichtung weiters einen Oszillator zur Ausgabe eines Signals mit einer gewissen Frequenz und eine Schirmelektrode zur elektrostatischen Abschirmung der Detektionselektrode von außen aufweist, wobei die Vorrichtung weiters umfasst;
ein Schirmkabel, welches ein Ende eines Kernkabels und eines Hüllkabels mit der Detektionselektrode und der Schirmelektrode verbunden hat;
eine Spannungsfolgerschaltung zur Herstellung eines imaginären Kurzschlusszustandes gegenüber den anderen Enden des Schirmkabels durch Verbindung des Kernkabels und des Hüllkabels an einen invertierenden Eingangsanschluss und einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss, wobei die Spannungsfolgerschaltung aus einem Operationsverstärker gebildet wird; und
einen Messabschnitt zur Anlegung des Signals des Oszillators an die Detektionselektrode über das Kernkabel des Schirmkabels, und zur gleichzeitigen Anlegung eines zum Signal des Oszillators identischen Signals an das Hüllkabel des Schirmkabels um die Impedanz zwischen der Detektionselektrode und dem Leiter zu messen und aufgrund der gemessenen Werte die an den Leiter angelegte Spannung zu erhalten;
dadurch gekennzeichnet, dass bei Messung der Impedanz der Blindwiderstand aufgrund der Kapazität und der Leckwiderstand, welcher neben der Kapazität vorhanden ist, separat gemessen werden, und
die an den Leiter angelegte Spannung unter Zuhilfenahme des Blindwiderstandes und des Leckwiderstandes gemessen wird.
Bevorzugter Weise umfasst die vorliegende Erfindung eine Detektionssonde, welche mit einer Detektionselektrode ausgestattet ist, die durch Abdeckung eines Teils der Oberfläche der Isolierung von außen einen Teil des Leiters elektrostatisch abschirmen kann und eine Schirmelektrode, die die Detektionselektrode von außen abschirmt, ein Schirmkabel, welches ein Ende des Kernkabels und eines Hüllkabels mit der Detektionselektrode und der Schirmelektrode verbindet, einen Operationsverstärker, um in Bezug auf andere Enden des Schirmkabels durch Verbinden des Kernkabels und des Hüllkabels an einen invertierenden Eingangsanschluss und einen nicht invertierenden Eingangsanschluss einen imaginären Kurzschlusszustand herzustellen, einen Oszillator für die Ausgabe eines Signals mit einer gewissen Frequenz und einen Messabschnitt, um das Signal des Oszillators über das Schirmkabel an die Detektionselektrode zu anzulegen, um die Impedanz zwischen der Detektionselektrode und dem Leiter zu messen und die an den Leiter angelegte Spannung aufgrund der gemessenen Werte zu erhalten.
Bevorzugter Weise umfasst die vorliegende Erfindung einen Oszillator zum Anlegen eines Signals und einer gewissen Frequenz an die Detektionselektrode über das Schirmkabel, einem Detektionswiderstand zur Erkennung des Stromes, welcher von der Detektionselektrode ausgesandt wird und dem Signal zugeordnet werden kann, und Erfassung des Stromes, welcher von der Detektionselektrode ausgesandt wird, welcher der an den Leiter angelegten Spannung zugeordnet werden kann und einem Messabschnitt, um die an den Leiter angelegte Spannung basierend auf der Spannung, welche sich über die zwei Enden des Detektionswiderstands entwickelt, zu erhalten.
Bevorzugter Weise existiert ein Korrektionsschaltkreis, um einen Fehler des Operationsverstärkers zu korrigieren, sodass der imaginäre Kurzschlusszustand fast perfekt wird.
Bevorzugter Weise existiert auch ein invertierender Verstärker, welcher das Signal an einem Eingangsanschluss angelegt hat und ein Ende des Detektionswiderstandes am Ausgangsanschluss angeschlossen hat und welcher durch einen invertierenden Eingangsanschluss und durch einen nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers eine Feedbackschaltung ausbildet.
Bevorzugter Weise ist auch ein Stromdetektionstransformer bereitgestellt, welcher sich so über ein Gehäuse und eine Abdeckung erstreckt, um gemeinsam mit dem öffnen und Schließen der Abdeckung öffenbar und schließbar ist.
Bevorzugter Weise umfasst die Detektionssonde ein Gehäuse, eine Abdeckung, welche im Bezug auf das Gehäuse geöffnet und geschlossen werden kann, eine Detektionselektrode, die sich über das Gehäuse und die Abdeckung erstreckt, um gemeinsam mit dem öffnen und Schließen der Abdeckung öffenbar und schließbar ist, die einen beweglichen Abschnitt aufweist, der durch Anlegen einer Kraft in Richtung der Isolation eingedrückt werden kann und die Oberfläche eines Teils der Isolation abdecken kann, und eine Schirmelektrode, um die Detektionselektrode abzudecken, welche sich über das Gehäuse und die Abdeckung erstreckt, um gemeinsam mit dem öffnen und Schließen der Abdeckung öffenbar und schließbar ist und die Dektektionselektrode abdeckt.
In der vorliegenden Erfindung wird bevorzugter Weise die Impedanz zwischen der Detektionselektrode und dem Leiter und ein Strom, der von der Detektionselektrode ausgeht auf Grund der Spannung, welche an dem Leiter angelegt ist, gemessen, um die Spannung, welche an einen Leiter angelegt ist, zu messen, jedoch ist dies das Prinzip zur Gewinnung einer Spannung, und es ist nicht notwendig diese physischen Größen zu messen. Es ist möglich, einige andere physischen Größen oder Parameter zu messen, um letztlich die Spannung, welche an den Leiter angelegt ist, zu erhalten.
Bei der Messung der Impedanz zwischen der Detektionselektrode und dem Leiter ist es bevorzugter Weise ebenfalls möglich, stattdessen durch Messen der Kapazität oder des Blindwiderstands die Impedanz zu messen, da Widerstand und Induktivität normalerweise ignoriert werden können. Um jedoch genauere Messungen durchzuführen, wird die Messung separat für den Blindwiderstand aufgrund der Kapazität und dem Leckwiderstand parallel zur Kapazität durchgeführt und die an den Leiter angelegte Spannung wird gemessen unter Verwendung des Blindwiderstandes und des Leckwiderstandes.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Blockdiagramm, welches den Aufbau der Spannungsmessvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Beispiels des Aufbaues des Messabschnittes.
3 zeigt ein Blockdiagramm, welches ein weiteres Beispiel des Aufbaues eines Messabschnittes zeigt.
4 ist ein Ersatzschaltbild der wesentlichen Teile der Spannungsmessvorrichtung.
5 ist eine Abbildung, welche ein Beispiel eines Korrigierschaltkreises zeigt.
6 ist eine Abbildung, welche ein Beispiel eines Korrigierschaltkreises zeigt.
7 ist eine Abbildung, welche ein Beispiel eines Schutzschaltkreises darstellt.
8 zeigt den Schnitt einer Vorderansicht, welche ein Beispiel einer Detektionssonde abbildet.
9 zeigt eine Seitenansicht einer Detektionssonde im Schnitt.
10 zeigt eine Vorderansicht eines weiteren Beispiels einer Detektionssonde im Schnitt.
11 zeigt ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel des Aufbaues eines Messabschnittes einer zweiten Ausbildungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
12 ist eine Abbildung, welche eine Spannung-Strom-Phasenbeziehung für einzelne Teile zeigt.
13 zeigt ein Blockdiagramm, welches den Aufbau einer kontaktlosen Spannungsmessvorrichtung aus dem Stand der Technik zeigt.
14 zeigt ein Ersatzschaltbild von wesentlichen Teilen einer Spannungsmessvorrichtung aus dem Stand der Technik.
Beschreibung der bevorzugten Ausbildungsformen
In weiterer Folge wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf Ausbildungsformen und Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
(Erste Ausbildungsform)
1 zeigt ein Blockdiagramm, welches den Aufbau einer Spannungsmessvorrichtung 1 der ersten Ausbildungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, 2 zeigt ein Blockdiagramm, welches einen beispielhaften Aufbau eines Messabschnittes 30 darstellt, 3 zeigt ein Blockdiagramm, welches einen weiteren beispielhaften Aufbau eines Messabschnittes 30B darstellt, und 4 zeigt ein Ersatzschaltbild von wesentlichen Teilen der Spannungsmessvorrichtung 1.
In 1 umfasst die Spannungsmessvorrichtung 1 eine Detektionssonde 11, ein Koaxialkabel (Schirmkabel) CV, einen Oszillator 12, einen Stromdetektor 13 und einen Messabschnitt 30.
Bei der Detektionssonde 11 ist es möglich, die selbe Bauform, wie zuvor für den Stand der Technik beschrieben, zu benützen.
Insbesondere umfasst die Detektionssonde 11 eine Detektionselektrode 111, welche durch Abdecken eines Teils der Oberfläche der Isolation SL eines elektrischen Kabels WR von außen einen Teil des Leiters CD elektrostatisch abschirmt und eine Schirmsonde 112, welche die Detektionselektrode 111 von außen elektrostatisch abschirmt.
Ebenfalls ist es möglich, eine verbesserte Detektionssonde 11B, wie später beschrieben, zu verwenden.
Die Detektionssonde 11 und der Stromdetektionsabschnitt 13 sind durch das Koaxialkabel CV verbunden. Zu dieser Zeit ist die Detektionselektrode 111 mit einem Kernkabel an einer Seite des Koaxialkabels CV verbunden und die Schirmelektrode 112 mit dem Hüllkabel an der selben Seite verbunden.
Der Oszillator 12 gibt ein Sinuswellensignal mit einer Frequenz, welche wesentlich höher als die Frequenz einer kommerziellen Stromversorgung von 50 HZ oder 60 HZ ist, beispielsweise 2 KHz oder 5 KHz, und hat eine gewisse Spannung Es.
Der Stromdetektionsabschnitt 13 umfasst Operationsverstärker Q1–Q3, einen Detektionswiderstand R1 und Widerstände R2–R7.
Der Operationsverstärker Q1 bildet einen invertierenden Verstärkerschaltkreis K1. Der Ausgangsanschluss und der invertierende Eingangsanschluss a des Operationsverstärkers Q2 sind miteinander verbunden und dieser Operationsverstärker Q2 bildet einen Spannungsfolgerschaltkreis K2. Der Operationsverstärker K3 bildet einen Differenzialverstärkerschaltkreis K3.
Das Hüllkabel des Koaxialkabels CV ist mit dem invertierenden Eingangsanschluss a des Operationsverstärkers Q2 verbunden, wohingegen das Kernkabel des Koaxialkabels CV mit dem nicht invertierenden Eingangsanschluss b verbunden ist. Im Spannungsfolgerschaltkreis K2 sind der invertierende Eingangsanschluss a und der nicht invertierende Eingangsanschluss b im Wesentlichen auf dem selben Potential, d.h. sie sind in einem imaginären Kurzschlusszustand.
Dementsprechend gibt es einen imaginären Kurzschlusszustand zwischen dem Kernkabel und dem Hüllkabel des Koaxialkabels CV und kein Strom fließt zwischen ihnen. Das heißt potentialfreie Kapazitäten, welche zwischen dem Kernkabel und dem Hüllkabel des Koaxialkabels CV auftreten, können vernachlässigt werden und werden behandelt als wären sie nicht vorhanden.
Auf die internationale Publikation No. WO 99/38019 kann als Verfahren zum Löschen von potentialfreien Kapazitäten und Umwandlung von Kapazitäten in eine Spannung Bezug genommen werden.
Wie eindeutig in 4 ersichtlich, wird Strom, welcher vom Oszillator 12 durch den Detektionswiderstand R1 in die Detektionselektrode 111 fließt, mit Is bezeichnet und Strom, welcher von der Detektionselektrode 111 zu dem Oszillator 12 ausgesandt wird, mit Ix bezeichnet.
Die Impedanz Zw zwischen der Detektionselektrode 111 und dem Leiter CD wird mit Hilfe der Detektionssonde 11 gemessen. In der Praxis wird der Blindwiderstand XC zwischen der Detektionselektrode 111 und dem Leiter CD, nämlich die Kapazität C, anstelle der Impedanz Zw gemessen.
Der Blindwiderstand XC ist verschieden in Abhängigkeit der Frequenz f, auch wenn die Kapazität C konstant ist, daher wird der Blindwiderstand für die Frequenz fs der Spannung Es des Oszillators 12 XCs bezeichnet und der Blindwiderstand für die Frequenz fx der Spannung Ex, welche an dem Leiter CD angelegt ist, XCx bezeichnet.
Hierbei existiert zwischen dem Blindwiderstand XCs und dem Blindwiderstand XCx die Beziehung: XCx = (fs/fx)·XCs
In dem Spannungsfolgerschaltkreis K2, der in 1 abgebildet ist, wird das Potential des nicht-invertierenden Eingangsanschlusses b direkt zum Potential Vs des Ausgangsanschlusses. Weil das Potential Vs den Ausgang des invertierenden Verstärkerschaltkreises K1, welcher durch den Operationsverstärker Q1 gebildet wird, entspricht, Vs = –Es(R3/R2) (21)
Hierbei, wenn R3 = R2: Vs = –Es (22)
Der Strom Ix fließt aufgrund der Spannung Ex, welche an dem Leiter CD angelegt ist, in dem Detektionswiderstand R1. Wenn der Spannungsabfall aufgrund der Spannung Ix gleich Er gesetzt wird, dann Er = (Vs + Ex)R1/jXCx (23)
Hierbei wird die Ausgangsspannung Eo des Differenzialverstärkerschaltkreises K3, wenn die vier Widerstände (Widerstandswerte) R4–R7 des Differenzialverstärkerschaltkreises K3 alle gleich sind, gegeben durch Eo = Er
Das heißt es wird eine Spannung Er gemessen, welche sich über die zwei Enden des Detektionswiderstandes R1 bildet, und vom Differenzialverstärkerschaltkreis K3 wird eine Spannung Eo ausgegeben. Die Spannung Er, welche sich über die zwei Enden des Detektionswiderstandes R1 entwickelt, enthält eine Komponente Erx aufgrund des Stromes Ix, welcher der Spannung Ex des Leiters CD zugeordnet werden kann, und eine Komponente Ers aufgrund des Stromes Is, welcher der Spannung Es, die vom Oszillator 12 ausgegeben wird, zugeordnet werden kann. Diese Spannungskomponenten Ers und Erx werden unterschieden mittels eines Filters oder ähnlichem unter Verwendung von Eigenschaften, welche auf dem Fakt beruhen, dass sie unterschiedlichen Frequenzen entsprechen.
Dementsprechend werden diese Spannungskomponenten Erx und Ers separat erhalten, die Impedanz zwischen der Detektionselektrode 111 und dem Leiter CD wird erhalten und der Strom Ix, welcher der Spannung Ex des Leiters CD zugeordnet werden kann, gemessen und von diesen Werten wird die Spannung Ex, welche an dem Leiter CD anliegt, im Messabschnitt 30 gemessen.
Wie oberhalb beschrieben, wird in dieser Ausführungsform die Kapazität (Blindwiderstand) als Impedanz gemessen, jedoch ist es ebenfalls möglich, die Kapazität C (oder Blindwiderstand XC) und den Leckwiderstand Rx zu messen und die Messergebnisse zur Berechnung zu verwenden, wie später beschrieben wird.
Innerhalb der Spannung Eo sind die Komponenten Eo(Vs) aufgrund des Oszillators 12 und die Komponente Eo(Ex) aufgrund der Spannung Ex des Leiters CD gegeben durch: Eo(Vs) = Vs·R1/jXCs (24) Eo(Ex) = Ex·R1/jXCx (25)
Diese Komponenten Eo(Vs) und Eo(Ex) können durch Beobachtung erhalten werden. Hierbei existiert von Gleichung (24) die Beziehung Eo(Vs) = (Es·R3/R2)·R1/jXCs (26)und daher jXCs = –(Es·R3/R2)·R1/Eo(Es) (27)woraus XCs erhalten wird.
Ebenfalls kommt aus der Gleichung (25) die Beziehung Ex = jXCx·Eo(Ex)/R1 (28)und von dieser ist es möglich, die Spannung Ex zu erhalten.
In 2 umfasst der Messabschnitt 30 einen Impedanzmessabschnitt 14, einen Entladestrommessabschnitt 15, einen Leiterspannungsmessabschnitt 16, einen Leistungsmessabschnitt 17 und einen Anzeigeabschnitt 18. Diese Abschnitte können durch Ausführung eines geeigneten Computerprogramms unter Verwendung eines Mikroprozessors, ROM, RAM, etc. realisiert werden.
Der Impedanzmessabschnitt 14 misst die Impedanz Zw der Detektionselektrode 111 und dem Leiter CD. In dieser Ausbildungsform wird zum Zwecke der Vereinfachung nur die Kapazität C oder der Blindwiderstand XC gemessen. Der Entladestrommessabschnitt 15 misst dem Strom Ix, der der Spannung Ex zugeordnet werden kann. Der Leiterspannungsmessabschnitt 16 misst die Spannung Ex aus dem Strom Ix und der Impedanz Zw. Der Leistungsmessabschnitt 17 misst die vom Leiter CD an eine Last angelegte Leistung, basierend auf der gemessenen Spannung Ex und dem Eingangsstrom Iw, welcher separat eingespeist wird. Der Strom Iw kann durch Umklammerung des elektrischen Kabels WR unter Verwendung eines Stromdetektionstransformers gemessen werden. Der Anzeigeabschnitt 18 zeigt die gemessene Spannung Ex oder die Leistung an.
In 3 umfasst der Messabschnitt 30B einen Bandpassfilter 21, einen Gleichrichter 22, einen Tiefpassfilter 26, einen Teiler 28, einen Leistungsmessabschnitt 17 und einen Anzeigeabschnitt 18.
Innerhalb der Spannung Eo, die vom Stromdetektionsabschnitt 13 ausgegeben wird, erlaubt der Bandpassfilter 21 nur einer Komponente, aufgrund des Signals Es des Oszillators 12, zu passieren. Basierend darauf wird die Impedanz Zw (Blindwiderstand XCs oder Blindwiderstand XCx) zwischen der Detektionselektrode 111 und dem Leiter CD erhalten.
Der Tiefpassfilter 26 erlaubt nur einer Komponente, aufgrund der Spannung Ex, welche an den Leiter CD angelegt ist, zu passieren. Darauf basierend wird der Strom Ix, welcher der Spannung Ex zugeordnet werden kann, erhalten. Der Teiler 28 führt die Teilung durch, um die Spannung Ex zu erhalten. Details zum Teilen des Aufbaus und der Bedienung von so einem Messabschnitt 30 und Messabschnitt 30B können unter Bezug auf die Patentschrift der vorher erwähnten japanischen Patent Nr. 3158063 gefunden werden. Ebenfalls ist es möglich Teile des Aufbaues von 13, welches im Stand der Technik beschrieben ist, zu adoptieren.
Mit der Spannungsmessvorrichtung 1 mit dieser Ausbildungsform wird auf diese Weise das Potential zwischen dem Kernkabel und dem Hüllkabel des Koaxialkabels CV null gesetzt und es fließt daher kein Strom, sogar wenn einige potentialfreie Kapazitäten vorhanden sind oder Schwankungen in den potentialfreien Kapazitäten vorhanden sind. Daher ist es möglich, Auswirkungen von einer potentialfreien Kapazität zu umgehen und es ist möglich, die Spannung an einem elektrischen Kabel WR kontaktfrei in einem einfachen Arbeitsgang zu messen, ohne Messung der potentialfreien Kapazität und Fehlern die aufgrund von Schwankungen der potentialfreien Kapazität entstehen.
Im Anschluss wird eine Beschreibung wiedergegeben mit konkreten numerischen Beispielen.
Die Spannung Es, welche vom Oszillator 12 ausgegeben wird, wird 1V und die Frequenz 2 KHz gesetzt, die an den Leiter CD angelegte Spannung wird auf 100 V gesetzt und die Frequenz 60 Hz, Cx = 10 pF und R1 = 1 MΩ. In diesem Fall, Eo(Es) = –1·1015·ωc = 0.126 [V] Eo(Ex) = –1·106·ωc = 3.77 [mV]
Zur Ausgabe einer Spannung Ex mit 1.00 V ergibt sich hier in Bezug auf einen Teilungskoeffizienten (K), da: 1.00 = (3.77·10–3/0.126)·Kwenn K daraus erhalten wird, dann: K = 0.126/3.77·10–3 = 33.4
Das heißt, wenn K gleich 33,4 gesetzt wird, ist es möglich für eine Spannung Ex von 100 V eine Spannung Eo von 1 V auszugeben.
Bei der tatsächlichen Durchführung der Messung mit der Spannungsmessvorrichtung 1 ist es notwendig, die Ausgangsspannung Eo des Stromdetektionsabschnittes 13 null zu setzen, wenn kein elektrisches Kabel WR innerhalb der Detektionssonde 11 liegt, nämlich wenn die Kapazität C und die Spannung Ex null sind. Da jedoch bestehende Operationsverstärker Q nicht ideal sind, ist dieser Arbeitsschritt fehleranfällig. Um Fehler aufgrund einer Anzahl anderer Faktoren zu korrigieren ist es notwendig, einen Korrekturschaltkreis zur Verfügung zu stellen, um kleine Anpassungen der Spannung und der Phase durchzuführen.
Zur Durchführung der kleinen Korrekturen an Spannung und Phase ist es ebenfalls notwendig, die Spannung Es oder die Spannung Vs durch einen Korrekturschaltkreis an das Hüllkabel anzulegen und nicht direkt um einen Fehler in der Nullsetzung des Potentials zwischen dem Kernkabel und dem Hüllkabel des Koaxialkabels CV zu minimieren.
5 und 6 sind Abbildungen, welche Beispiele von Korrekturschaltkreisen 40 und 40B zeigen und 7 ist eine Abbildung, welche ein Beispiel eines Schutzschaltkreises zeigt.
Der Korrekturschaltkreis 40, welcher in 5 abgebildet ist, ist ein phaseninvertierender Schaltkreis, der einen Operationsverstärker Q4 verwendet. Amplitudenkorrekur wird vom Widerstand 41 durchgeführt und Phasenkorrektur wird vom Widerstand R42 durchgeführt.
Der Korrekturschaltkreis 40B, der in 6 abgebildet ist, ist ein nichtinvertierender Phasenschaltkreis, der einen Operationsverstärker Q5 verwendet. Amplitudenkorrektur wird vom Widerstand 43 durchgeführt und Phasenkorrektur wird vom Widerstand R44 durchgeführt.
Beispielsweise wird im Schaltkreis der 1 der nichtphaseninvertierende Korrekturschaltkreis 40B zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers Q1 und den Widerstand R6 geschaltet. Der phaseninvertierende Korrekturschaltkreis 40 wird ebenfalls an der selben Stelle zwischengeschaltet, wobei das andere Ende des Widerstandes R6 mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers Q3 verbunden ist und der Operationsverstärker Q3 als invertierender Verstärkerschaltkreis betrieben wird.
Im Schaltkreis nach 1 wird ebenfalls das Hüllkabel des Koaxialkabels CV an den invertierenden Eingangsanschluss a des Operationsverstärkers Q2 angeschlossen, aber der invertierende Eingangsanschluss a wird entfernt, der phaseninvertierende Korrekturschaltkreis 40B wird zwischen den invertierenden Eingangsanschluss a des Operationsverstärkers Q2 und das Hüllkabel des Koaxialkabels CV geschaltet und eine korrigierte Spannung wird an das Hüllkabel des Koaxialkabels CV vom Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers Q2 angelegt.
Um den Operationsverstärker Q2 vom Rauschen auf dem Koaxialkabel CV zu schützen, werden wie in 7 gezeigt, weiters zwei Dioden parallel in entgegengesetzte Richtungen zwischen den invertierenden Eingangsanschluss a und dem nichtinvertierenden Eingang b des Operationsverstärkers Q2 geschaltet. Eine Energiequelle wird dann durch die Dioden an den Ausgangsanschluss angelegt.
In der obigen Ausführungsform können unterschiedliche Sonden als Detektionssonde 11 verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich, die Detektionssonde, welche in der Patentschrift des oben genannten japanischen Patents Nr. 3158063 beschrieben ist, zu verwenden. Ebenfalls ist es möglich, die Detektionssonde 11B, wie sie folgend beschrieben wird, zu verwenden.
8 ist ein Aufriss im Schnitt, der ein Beispiel einer Detektionssonde 11B zeigt und 9 ist eine Seitenansicht im Schnitt der Detektionssonde 11B.
In 8 und 9 umfasst die Detektionssonde 11B ein Gehäuse 51, eine Abdeckung 52, eine Detektionselektrode 53, eine Schirmelektrode 54, eine Spiralfeder 55 und einen Stromdetektionstransformer 56.
Das Gehäuse 51 wird aus einem Kunstharz mit guten isolierenden Eigenschaften hergestellt und besitzt im wesentlichen die Form eines rechteckigen Parallelepipeds. Die Abdeckung 52 ist ebenfalls aus Kunstharz hergestellt und ist um sich öffnen und Schließen zu können wie bei einem Gelenk 57 am Gehäuse festgelegt. Es sind Öffnungen 51a zentral an der Oberseite beider Enden des Gehäuses 51 zur Durchführung eines elektrischen Kabels vorgesehen.
Bei geschlossener Abdeckung 52 werden Schrauben oder andere metallische Festlegemittel angebracht, um das Gehäuse 51 und die Abdeckung 52 zu befestigen, so dass die Abdeckung 52 sich nicht öffnet.
Die Detektionselektrode 53, die Schirmelektrode 54 und der Stromdetektionstransformer 56 sind so ausgebildet, dass sie sich über sowohl das Gehäuse 51 und die Abdeckung 52 erstrecken.
In besonderer Weise besteht die Detektionselektrode 53 aus zwei parallelen Seitenwandabschnitten 531, welche im Gehäuse 51 eingelassen sind, aus einem beweglichen Bodenabschnitt 532, welcher zwischen den parallelen Seitenwandabschnitten 531 nach oben und nach unten verschoben werden kann, und aus einem oberen Abdeckabschnitt 531, welche in der Abdeckung 52 eingelassen ist. Der bewegliche Bodenabschnitt 532 besitzt eine flache V-Form an seiner Oberseite und wird von zwei Spiralfedern 55, welche mit seiner Unterseite in Kontakt sind, nach oben getrieben, so dass er normalerweise gegen ein elektrisches Kabel WR gedrückt wird. Die Seitenwände 531, der bewegliche Bodenabschnitt 532 und der obere Abdeckabschnitt 533 berühren einander und sind elektrisch verbunden, und sind mit dem Kernkabel des Koaxialkabels CV verbunden.
Die Schirmelektrode 54 wird aus einem unteren halben Wandabschnitt 541, der im Gehäuse eingebettet ist, und einem oberen halben Wandschnitt 542, der in die Abdeckung 52 eingebettet ist, gebildet. Der untere halbe Wandabschnitt 541 bzw. der obere halbe Wandabschnitt 542 sind an den Endkanten mit Nasen versehen und kontaktieren sich ausreichend, wenn die Abdeckung 52 geschlossen ist. Das Hüllkabel des Koaxialkabels CV ist mit dem unteren halben Wandabschnitt 541 verbunden.
Die Schirmelektrode 54 ist in axialer Richtung länger als die Detektionselektrode 53. So deckt die Schirmelektrode 54 zuverlässig die Detektionselektrode 53 ab.
Der Stromdetektionstransformer 56 hat einen Teilkern 561 und eine Spule 563 im Gehäuse 51 eingebracht und einen anderen Teilkern 562 in der Abdeckung 52 untergebracht. Der Kern 562 besitzt einen Querschnitt, der drei Seiten eines Quadrates ähnelt und die beiden offenen Endflächen des Kerns 562 erstrecken sich bis in die Nähe des unteren Endes einer Öffnung 51a. Wenn die Abdeckung 52 geschlossen ist, berühren sich die Endfläche des Teilkerns 561 und die Endfläche des Teilkerns 562, so dass der Teilkern 561 und der Teilkern 562 erstrecken sich rundum, wobei sie das elektrische Kabel WR einschließen. Die zwei Enden der Spule 563 sind mit einem Kernkabel und mit einem Hüllkabel eines anderen Koaxialkabels CV verbunden.
Bei der Einpassung eines elektrischen Kabels WR in die Detektionssonde 11B wird das elektrische Kabel WR bei offener Abdeckung 52 eingelegt, um zwischen den zwei Öffnungen 51a zu liegen. Der bewegliche Bodenabschnitt 532 wird durch das elektrische Kabel WR gedrückt und bewegt sich gegen die Stellkraft der Spiralfeder 55 nach unten. Die Abdeckung 52 wird dann geschlossen und befestigt. Es ist möglich, einen Abstand zwischen der Detektionselektrode 53 und dem Kabel zu haben, je nach Dicke des elektrischen Kabels WR, jedoch wird eine Oberfläche der Isolation und des elektrischen Kabels WR von der Detektionselektrode 35 bedeckt. Dadurch, dass der bewegliche Bodenabschnitt 533 gegen das elektrische Kabel WR drückt, kann der Spalt auf einem Minimum gehalten werden, sogar wenn die Dicke des elektrischen Kabels WR sich verändert. Dementsprechend kann die Detektionssonde für Kabeln unterschiedlicher Dicke adaptiert werden.
Der Strom Iw, der im elektrischen Kabel WR fließt, wird vom Stromdetektionstransformer 56 detektiert und wird in die Messabschnitte 30 und 30B über das Koaxilkabel CV eingespeist. So kann man die Leistung aufgrund des Stromes, der im elektrischen Kabel WR fließt, messen.
Bei der oben beschriebenen Detektionssonde 11B ist die Schirmeleketrode 54 zylindrisch abgerundet, um die Detektionselektrode 53 abzudecken. In diesem Fall bedeckt die Schirmelektrode 54 jedoch nicht die Endflächen (beide Endflächen zum Anpassen an das elektrische Kabel WR) der Detektionselektrode 53.
Damit die Schirmelektrode 54 die Detektionselektrode 53 komplett abdecken kann, wird die Schirmelektrode 54 bevorzugter Weise auch an beiden Endflächen zum Passen des elektrischen Kabels WR bereitgestellt.
10 ist eine Vorderansicht im Schnitt, welche ein weiteres Beispiel einer Detektionssonde 11C zeigt.
Wie in 10 gezeigt, ist die Detektionssonde 11C im Wesentlichen dieselbe wie die Detektionssonde 11B, die in 8 gezeigt ist, ist jedoch anders in Bezug auf den Aufbau einer Schirmelektrode 54C.
Wie in 10 gezeigt, besteht die Schirmelektrode 54C neben dem unteren halben Wandabschnitt 541 und dem oberen halben Wandabschnitt 542 aus einem unteren linken Seitenwandabschnitt 543, einem unteren rechten Seitenwandabschnitt 544, einem beweglichen linken Seitenwandabschnitt 545, einem beweglichen rechten Seitenwandabschnitt 546, einem linken Wandabschnitt 547 und einem rechten Wandabschnitt 548, die alle im Gehäuse 51 angebracht sind und einem oberen linken Seitenwandabschnitt 549, einem oberen rechten Seitenwandabschnitt 550, einem linken oberen Abdeckabschnitt 551, einem rechten oberen Abdeckabschnitt 552, die alle in der Abdeckung 52 festgelegt sind.
Der untere linke Seitenwandabschnitt 543 bzw. der untere rechte Seitenwandabschnitt 544 sind so im Gehäuse 51 angebracht, dass sie die linke Endfläche oder die rechte Endfläche des unteren halben Wandabschnittes 541 blockieren und sind mit dem unteren halben Wandabschnitt 541 verbunden. Der obere linke Seitenwandabschnitt 549 bzw. der obere rechte Seitenwandabschnitt 550 sind so angeordnet, um die linke Endfläche oder die rechte Endfläche des oberen halben Wandabschnittes 542 blockieren und sind mit dem oberen halben Wandabschnitt 542 verbunden.
Der bewegliche Seitenwandabschnitt 545 und der bewegliche rechte Seitenwandabschnitt 546 sind in gleicher Form ausgebildet, die sich über den beweglichen Bodenabschnitt 532 erstreckt und sind durch eine Isolation integral mit dem beweglichen Bodenabschnitt 532 verbunden. Daher bewegen sich der bewegliche linke Seitenwandabschnitt 545 und der bewegliche rechte Seitenwandabschnitt 546 gemeinsam mit dem beweglichen Bodenabschnitt 532. Da sie mit dem unteren linken Seitenwandabschnitt 543 oder dem oberen rechten Seitenwandabschnitt 544 über ein Kabel verbunden sind, haben sie jedoch elektrisch dasselbe Potential, wie der untere linke Seitenwandabschnitt 543 und der rechte Seitenwandabschnitt 544.
Der linke Seitenwandabschnitt 547 und der rechte Seitenwandabschnitt 548 sind in gleicher Form ausgebildet und erstrecken sich über dem Seitenwandabschnitt 531, und sind durch eine Isolation integral mit dem Seitenwandabschnitt 531 ausgebildet. Der linke Seitenwandabschnitt 547 und der rechte Seitenwandabschnitt 548 sind mit dem unteren linken Seitenwandabschnitt 543 oder dem oberen rechten Seitenwandabschnitt 544 verbunden und sind auf dem selben Potential wie diese.
Der linke obere Abdeckabschnitt 551 und der rechte obere Abdeckabschnitt 552 sind in gleicher Form, die sich über den oberen Abdeckabschnitt 533 erstreckt, ausgebildet und sind über eine Isolierung integral mit dem oberen Abdeckabschnitt 533 verbunden. Der linke obere Abdeckabschnitt 551 und der rechte untere Abdeckabschnitt 552 sind mit dem oberen linken Seitenwandabschnitt 549 und dem oberen rechten Seitenwandabschnitt 550 verbunden und sind auf dem selben Potential wie diese.
Da heißt, dass ein Teil des elektrischen Kabels WR von einer ähnlichen Form, wie die Detektionselektrode 53 von dem beweglichen linken Seitenwandabschnitt 545, dem Seitenwandabschnitt 547 und dem linken oberen Abdeckabschnitt 551 und dem beweglichen rechten Seitenwandabschnitt 546, dem rechten Seitenwandabschnitt 548 und dem oberen rechten Abdeckabschnitt 552 umfasst ist und dass das Potential des elektrischen Kabels WR dasselbe ist, wie das der Schirmelektrode 54C.
Der Umfang der Detektionselektrode 53 ist komplett von der Schirmelektrode 54C umgeben, die diesen Aufbau hat. Auf diese Weise wird der externe Einfluss und Schwankungen in der Kapazität zwischen der Detektionselektrode 53 und der Schirmelektrode 54C, nämlich potentialfreie Kapazität, vermieden und es ist möglich die Messung in beständiger Weise und mit einem hohen Grad an Präzision durchzuführen.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wurde ein einschichtiges Koaxialkabel CV als Schirmkabel benützt, jedoch ist es ebenfalls möglich, ein zweilagiges Koaxialkabel zu verwenden. In diesem Fall ist dabei das Kernkabel an der Detektionselektrode 53, oder 111 und dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss b angeschlossen und das Hüllkabel der inneren Abschirmung ist an der Schirmelektrode 54, 54C oder 112 und dem invertierenden Eingangsanschluss a angeschlossen, etc. Dieser Punkt ist derselbe wie in dem Ausführungsbeispiel, das bisher beschrieben wurde. Das Hüllkabel der äußeren Abschirmung wird dann mit dem Erdanschluss der Spannungsmessvorrichtung 1 angeschlossen. Das heißt, das Hüllkabel der inneren Abschirmung ist von dem Hüllkabel der äußeren Abschirmung abgeschirmt und das Hüllkabel der äußeren Abschirmung ist geerdet. Dadurch werden keine elektrischen Effekte auf das innere Hüllkabel ausgeübt, selbst wenn das Koaxialkabel CV berührt wird oder sich die umliegende Umgebung des Koaxialkabels CV verändert, und exzellente Messbeständigkeit wird erhalten. Da jedoch aufgrund der Kapazität zwischen dem inneren Hüllkabel und dem äußeren Hüllkabel Strom fließt, ist es notwendig, einen Steuerkreis zu haben, mit dem es möglich ist, diesen Strom zu liefern.
(Zweite Ausbildungsform)
Als nächstes wird ein Beispiel für das jeweilige separate Messen der Kapazität C (oder des Blindwiderstandes Cx) eines Leiters CD und des Leckwiderstandes Rx beschrieben.
11 zeigt ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel eines Aufbaues eines Messabschnittes 30C der zweiten Ausbildungsform darstellt, und 12 ist eine Abbildung, welche ein Spannungs- und Stromphasenverhältnis für jeden Abschnitt zeigt.
Wie in 11 gezeigt, umfasst der Messabschnitt 30C einen Impedanzmessabschnitt 14C, einen Entladestrommessabschnitt 15C und einen Leiterspannungsmessabschnitt 16.
Abschnitte, die nicht in der Abbildung des Messabschnittes 30C gezeigt sind, sind dieselben wie in den Messabschnitten 30 und 30B der ersten Ausbildungsform. Von dem Messabschnitt 30B unterschiedliche Abschnitte sind ebenfalls dieselben wie in der ersten Ausbildungsform. Ebenfalls ist es möglich, den Stromdetektionsabschnitt 13j, wie er im Teil des Standes der Technik beschrieben wird, anstelle des Stromdetektionsabschnittes, wie er in 1 gezeigt ist, zu verwenden.
Der Impedanzmessabschnitt 14C besteht aus einem Bandpassfilter 21, einem Integrator 32 und einem Bereichsetzabschnitt 33.
Wie oben beschrieben, lässt der Bandpassfilter 21 innerhalb der Spannung Eo, die von dem Stromdetektionsabschnitt 13 ausgegeben wird, nur eine Komponente infolge des Signals Es des Oszillators 12 passieren.
Der Integrator 32 teilt eine Komponente infolge der Kapazität C und eine Komponente infolge des Leckwiderstandes Rx durch die Integration der Spannung Eo (d.h. die Spannung Ers) in einen gewissen Bereich.
Wie in 12 gezeigt, hat im Speziellen der Strom Is(C), der in der Kapazität C aufgrund der Spannung Es des Oszillators 12 fließt, einen Phasenvorsprung von π/2 relativ zur Spannung Es. Der Strom Is(Rx), der im Leckwiderstand Rx fließt, hat dieselbe Phase wie die Spannung Es. Da jedoch der Leckwiderstand normalerweise extrem groß ist (beispielsweise um die 10¹¹Ω), ist die Größe des Stromes Is(Rx) klein verglichen mit dem Strom Is(C). Dementsprechend ist der Strom Is(C + Rx), der durch Kombination dieser Ströme erhalten wird, eine kleine Phasenverzögerung gegenüber dem Strom Is(C). Der Strom Is(C + Rx) entspricht dem oben beschriebenen Strom Is, nämlich: Is = Ers/R1
Das heißt der Strom Is und die Spannung Ers haben dieselbe Phase.
Durch Integration der Spannung Ers von dem Punkt, wo die Phase der Spannung Ers 0 ist, bis zu dem Punkt, wo die Phase gleich π ist, wird eine Komponente aufgrund des Stromes Is(C) Null, und nur eine Komponente aufgrund des Stromes Is(Rx) wird extrahiert. Ebenso durch Integration von dem Punkt, wo die Phase der Spannung Es gleich –π/2 ist, zu dem Punkt, wo die Phase n/2 ist, wird eine Komponente aufgrund des Stromes Is(Rx) Null und nur eine Komponente aufgrund des Stromes Is(C) wird extrahiert.
Durch Setzen eines geeigneten Bereiches mittels des Bereichsetzabschnittes bzw. der Durchführung der Integration mittels des Integrators 32 wird auf diesem Wege eine Komponente aufgrund des Stromes Is(Rx) und eine Komponente aufgrund des Stromes Is(C) separiert. Die Kapazität C (oder Blindwiderstand XC) und der Leckwiderstand Rx werden von dem Impedanzmessabschnitt 14C ausgegeben.
Der Entladestrommessabschnitt 15 misst und gibt den Strom Ix aus, welcher der Spannung Ex zugeordnet werden kann.
Der Leiterspannungsmessabschnitt 16C berechnet die Spannung Ex basierend auf der Ausgabe von dem Impedanzmessabschnitt 14C und dem Entladestrommessabschnitt 15.
Eine Beschreibung der Bedienung von dem Messabschnitt 30C, die oben beschrieben ist, wird nun mittels mathematischer Formeln gegeben.
Eine Komponente Ers aufgrund des Stromes Is, welche der Spannung Es, die vom Oszillator 12 ausgegeben wird, zugeschrieben werden kann, und eine Komponente Erx aufgrund des Stromes Ix, welcher der Spannung Ex des Leiters CD zugeschrieben werden kann, werden folgenderweise ausgedrückt: Ers = R1·Is = R1[(Es/Rx) + (Es/XCs)] (31) Erx = R1·Ix = R1·[(Ex/Rx) + (Ex/XCx)] (32)
Wenn die Spannung Ers vom Punkt, wo die Phase der Spannung Es Null ist, zu dem Punkt, wo die Phase gleich π ist, integriert wird, hat die so erhaltene Spannung Ers' nur eine Komponente aufgrund des Leckwiderstandes Rx übrig, und wird: Ers' = (1/21/2)·R1·Es/Rx
Daher, Rx = (1/21/2)·R1·Es/Ers' (33)
Ebenfalls, wenn die Spannung Ers von dem Punkt, wo die Phase der Spannung Es –π/2 ist, zu dem Punkt, wo die Phase gleich π/2 ist, integriert wird, bleibt der so erhaltenen Spannung Es'' nur eine Komponente aufgrund des Widerstandes XCs übrig und wird: Ers'' = (1/21/2)·R1·Es/XCs
Daher XCs = (1/21/2)·R1·Es/Ers'' (34)
So wird der Leckwiderstand Rx und der Blindwiderstand XCs erhalten. Wenn der Blindwiderstand XCs erhalten wird, wird der Blindwiderstand XCx aus der Formel XCx = (fs/fx)·XCs erhalten.
Ebenfalls wird von Gleichung (32) Ex = (Erx/R1)/[(1/Rx) + (1/XCx)] (35)erhalten und so die Spannung Ex berechnet durch Substituierung der oben erhaltenen Werte in diese Gleichung.
Durch separate Berechnung einer Komponente aufgrund des Stromes Is(Rx) und einer Komponente aufgrund des Stromes Is(C) auf diese Weise wird die Genauigkeit verbessert. Im Übrigen wurde in der ersten Ausbildung nur der Blindwiderstand XCs gemessen, jedoch wird in der Praxis die Messung unter Beachtung der zusammengesetzten Impedanz des Blindwiderstandes XCs und des Leckwiderstandes Rx als Blindwiderstand XCs gemessen. Demtentsprechend wird der Leckwiderstand Rx entsprechend dem Frequenzverhältnis konvertiert, wenn der gemessene Blindwiderstand XCs in den Blindwiderstand XCx konvertiert wird, und dies verursacht einen Fehler. In der zweiten Ausbildungsform wird der Blindwiderstand XCx und der Leckwiderstand Rx korrekt erhalten, da der Blindwiderstand XCs und der Leckwiderstand Rx separat gemessen werden, und es ist möglich, die Spannung Ex korrekt zu berechnen.
In der zweiten Ausbildungsform wurde ein Integrator 32 verwendet, um den Blindwiderstand XCs und den Leckwiderstand Rx zu separieren, aber anstelle eine Integrales kann man auch einen Mittelwert verwenden. In diesem Fall wird der Koeffizient (1/2^1/2) mit dem Koeffizienten (2/π) ausgetauscht. Diese Koeffizienten sind Beispiele und können je nach tatsächlichen Schaltkreis oder zu bearbeitenden Inhalt angepasst werden. Die Integration- oder Mittelwertbildung, um den Blindwiderstand und den reinen Widerstand zu erkennen, ist bekannt. Es ist ebenfalls möglich, die Separierung mittels anderer Verfahren zu erreichen. Beispielsweise ist es möglich, den puren Widerstand ohne die Effekte der Frequenz herauszuseparieren, durch Verwendung von zwei Signalen mit unterschiedlichen Frequenzen und Verwendung des Unterschieds im Blindwiderstand aufgrund des Unterschieds in der Frequenz.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen können die Messabschnitte 30, 30B etc. durch Hardwareschaltkreise, Software mit Hilfe eine Mikroprozessors oder einer Kombination aus Soft- und Hardware implementiert werden. Die oben beschriebenen Verfahren können in analoger Weise, digital oder unter Verwendung einer Kombination der beiden ausgeführt werden.
Ebenfalls kann der Aufbau, die Form oder das Material der Detektionssonden 11, 11B und 11C der Aufbau des Stromdetektionsabschnittes 13 der Messabschnitte 30, 30B und 30C und des Korrekturabschnittes 40 und 4B, der Aufbau jeder oder einzelner Teile der Spannungsmessvorrichtung 1, die numerischen Konstanten, die Abfolge und Steuerung der Schritte, etc. in angemessener Weise im Sinne der Erfindung modifiziert werden.
Während die momentan bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, wird vorausgesetzt, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf limitiert ist, dass eine Anzahl an Änderungen und Modifikationen durch einen Fachmann unternommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie er in den nachstehenden Patentansprüchen dargelegt ist.

Claims

Kontakloses Spannungsmessverfahren zum Messen einer an einen Leiter (CD) angelegten Wechselspannung ohne den Leiter (CD) zu berühren, unter Verwendung einer Detektionssonde (11) umfassend eine Detektionselektrode (111), welche einen Teil einer Oberfläche einer Isolation (SL) zum Isolieren des Leiters (CD) abdecken kann, und einer Schirmelektrode (112) zum Abdecken der Detektionselektrode (111), und eines Oszillators (12) zur Ausgabe eines Signals (Is) mit einer gewissen Frequenz, wobei jeweils ein Ende eines Kernkabels und eines Hüllkabels eines Schirmkabels (CV) mit der Detektionselektrode (111) bzw. mit der Schirmelektrode (112) verbunden ist und wobei der Einfluss einer potentialfreien Kapazität im Wesentlichen durch die Herstellung eines imaginären Kurzschlusszustandes zwischen den jeweils anderen Enden des Kernkabels und des Hüllkabels ausgelöscht wird, wobei das genannte Verfahren die Schritte umfasst: das Messen der Impedanz (Zw) zwischen der Detektionselektrode (111) und dem Leiter (CD) durch Anlegen des Signals (Is) des Oszillators (12) an die Detektionselektrode (111) über das Schirmkabel (CV); das Messen des aus der Detektionselektrode (111) austretenden Stromes (Ix), welcher der an den Leiter (CD) angelegten Spannung zuordenbar ist; das Erhalten der an den Leiter (CD) angelegten Spannung (Er) basierend auf der gemessenen Impedanz (Zw) und der gemessenen Stromstärke (Ix); dadurch gekennzeichnet, dass bei der Messung der Impedanz (Zw) der Blindwiderstand (Xc) aufgrund der Kapazität (C) und der Leckwiderstand (Rx), welcher neben der Kapazität (C) vorhanden ist, separat gemessen werden, und die an den Leiter (CD) angelegte Spannung (Er) unter Verwendung des Blindwiderstandes (Xc) und des Leckwiderstandes (Rx) gemessen wird.
Kontaklose Spannungsmessvorrichtung (1) zum Messen einer an einen durch einen Isolator (SL) isolierten Leiter (CD) angelegten Wechselspannung, ohne den Leiter (CD) zu berühren, umfassend: eine Detektionssonde (11), welche mit einer Detektionselektrode (111) versehen ist, welche durch Abdeckung eines Teiles der Oberfläche der Isolation (SL) von außen einen Teil des Leiters (CD) elektrostatisch abschirmen kann, wobei die Vorrichtung (1) weiters einen Oszillator (12) zur Ausgabe eines Signals mit einer gewissen Frequenz und eine Schirmelektrode (112) zur elektrostatischen Abschirmung der Detektionselektrode (111) von außen aufweist, wobei die Vorrichtung weiters umfasst: ein Schirmkabel (CV), welches ein Ende eines Kernkabels und eines Hüllkabels mit der Detektionselektrode (111) bzw. mit der Schirmelektrode (112) verbunden hat; eine Spannungsfolgerschaltung (K2) zur Herstellung eines imaginären Kurzschlusszustandes gegenüber den anderen Enden des Schirmkabels (CV) durch Verbindung des Kernkabels und des Hüllkabels an einen invertierenden Eingangsanschluss (a) bzw. einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss (b), wobei die Spannungsfolgerschaltung (K2) aus einem Operationsverstärker (Q2) gebildet wird; und einen Messabschnitt (30) zur Anlegung des Signals des Oszillators (12) an die Detektionselektrode (111) über das Kernkabel des Schirmkabels, und zur gleichzeitigen Anlegung eines zum Signal des Oszillators (12) identischen Signals an das Hüllkabel des Schirmkabels (CV) um die Impedanz (Zw) zwischen der Detektionselektrode (111) und dem Leiter (CD) zu messen und aufgrund der gemessenen Werte die an den Leiter (CD) angelegte Spannung (Er) zu erhalten; dadurch gekennzeichnet, dass bei Messung der Impedanz der Blindwiderstand (Xc) aufgrund der Kapazität (C) und der Leckwiderstand (Rx), welcher neben der Kapazität (C) vorhanden ist, separat gemessen werden, und die an den Leiter angelegte Spannung (Er) unter Zuhilfenahme des Blindwiderstandes (Xc) und des Leckwiderstandes (Rx) gemessen wird.
Kontaklose Spannungsmessvorrichtung (1) nach Anspruch 2, umfassend; einen Detektionswiderstand (R1) zur Ermittlung des aus der Detektionselektrode (111) austretenden Stromes, die dem Signal zugeordnet werden kann, und zur Ermittlung der aus der Detektionselektrode (111) austretenden Stromstärke, die der an den Leiter (CD) angelegten Spannung zugeordnet werden kann, und wobei der Messabschnitt (30) die an den Leiter (CD) angelegte Spannung, basierend auf einer zwischen den zwei Enden des Detektionswiderstandes (R1) auftretenden Spannung, erhält.
Kontaklose Spannungsmessvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, weiters umfassend einen Korrekturschaltkreis (40) um einen Fehler des Operationsverstärkers zu korrigieren, so dass der Fehler des imaginären Kurzschlusszustandes nahe bei Null liegt.
Kontaklose Spannungsmessvorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, wenn dieser von Anspruch 3 abhängig ist, weiters umfassend einen invertierenden Verstärker (K1), dem das Signal an einem Eingangsanschluss eingespeist wird und der ein Ende des Detektionswiderstandes (R1) an einem Ausgangsanschluss verbunden hat und welcher durch einen invertierenden Eingangsanschluss und einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers (Q2) eine Rückkoppelungsschaltung bildet.
Kontaklose Spannungsmessvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Schirmkabel (CV) ein zweites Hüllkabel trägt um die Außenseite des Hüllkabels zu überziehen, und wobei das zweite Hüllkabel so verbunden ist, dass es auf Erdpotential liegt.
Kontaklose Spannungsmessvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei: die Detektionssonde (11B) ein Gehäuse (51) und eine Abdeckung (52) trägt, welche gegenüber dem Gehäuse (51) öffenbar und schließbar ist; eine Detektionselektrode (53) vorgesehen ist, welche sich über das Gehäuse (51) und die Abdeckung (52) erstreckt und gemeinsam mit dem öffnen und Schließen der Abdeckung (52) öffenbar und schließbar ist und einen beweglichen Abschnitt aufweist, der durch Kraftanwendung in Richtung der Isolation betätigt werden kann; und eine Schirmelektrode (54) vorgesehen ist, welche sich über das Gehäuse (51) und die Abdeckung (52) erstreckt und gemeinsam mit dem öffnen und Schließen der Abdeckung (52) öffenbar und schließbar ist.
Kontaklose Spannungsmessvorrichtung (1) nach Anspruch 7, weiters umfassend einen Strommessungstransformer (56), welcher sich über das Gehäuse (51) und die Abdeckung (52) erstreckt und gemeinsam mit dem öffnen und Schließen der Abdeckung (52) öffenbar und schließbar ist.