JP3907210B2 - 電場および／または磁場を測定するフィールドセンサーと装置およびその方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁場および／または電場を測定する手段を含むフィールドセンサーおよびそれに対応する方法に関するものである。
本発明は、任意方向について同時にまたは連続的に電場および／または磁場を測定できる、前記タイプのフィールドセンサーおよびそれぞれの装置と同様に、対応する方法を提供する目的に基づいている。
この目的は、請求項の特徴によって達成される。
フィールドセンサーには、立方体に配置された少なくとも６枚のコンデンサプレートが設けられる。またそれによって形成された空間に、磁場を測定する手段が設けられる。その手段は、３次元的に配置され、例えばコイル、ホール効果センサー、磁気抵抗器等を含む。
コンデンサプレートは、この接続において３次元的に電場を測定するために役に立ち、また同時にそれらの空間的な配置の内部において、場のない空間を生じる。後者は、電場によって妨害されることなく磁場の３次元検出ができる測定手段を備える。したがって、互いに影響することなく電場および磁場が同時にかつ３次元的に測定されることが可能である。
本発明の有利な実施の形態において、ｘ-軸、ｙ-軸、またはｚ-軸上に配置された３つの環状および／または円筒形コイルが、設けられる。該コイルは、２枚ごとに互いに平行に配置されたコンデンサプレートによって囲まれる。
別の実施の形態によれば、コンデンサプレートは、磁気計の構成部品によって形成された空間内に部分的にまたは完全に配置される。コイルを含む磁気計において、例えばコイルはコンデンサプレートの向こうに部分的にまたは完全に伸びている。コンデンサプレートの大きさおよびお互いからの距離は、電場および磁場が同時にかつ３次元的に測定されるように磁気計の構成部品に関する大きさの関数として選択される。それらの相互妨害は、少ないことが好ましい。コンデンサプレートの辺の長さは、磁気計の構成部品に関する外部の長さと比べて、短いことが好ましい。例えばコンデンサプレートの辺の長さと磁場コイルの直径の割合は、１：１００から１００：１の範囲にある。コンデンサプレートは、内側にコイルの直径の３０％まで移動させても良い。
言い換えれば、別の実施の形態において、コンデンサプレートによって形成された空間および磁場を測定する手段によって形成された空間は、互いに一列に並べられる。両方のシステムは、共通の基準点を有するようにお互いに３次元的に交差する。
本発明のさらなる好ましい実施の形態において、コイルがほとんど同一の直径を有する環状でお互いにはめ込まれる。
したがって、全３方向において、磁場は均一に測定されるであろう。
本発明のさらなる実施の形態によれば、コイルの外側において、各コイルに対して平行に設けられたコンデンサプレート対がそれぞれのコンデンサに割り当てられるならば、それはかなり有利になるであろう。
したがって、コイルはコンデンサコイルによって完全に遮断される。
本発明の実施の形態によれば、高抵抗のコーティングを有するコンデンサプレートを提供することも非常に有利である。
しかしながら、本発明のさらなる実施の形態によれば、コンデンサプレートは高抵抗物質を含むことも可能である。
両方の実施の形態において、測定される磁場に関するいかなる妨害も考慮されない。
本発明のさらなる実施の形態は、コンデンサプレートが対になって配置され、各内側のプレートのそれぞれは通常のアース端子に接続されることを特徴とする。
したがって、電場についてコイル、ホール効果センサーまたは磁気抵抗器のいずれの妨害も考慮されない。
本発明のさらなる実施の形態によれば、コンデンサプレートの電気端子をその辺に設けることによって非常に有利になる。したがって測定結果は、回線内における電流によるいかなる妨害も受けない。
さらに本発明は、少なくとも一対のコンデンサプレートを有するフィールドセンサーを含む、電場を測定する装置に関するものである。該コンデンサプレートの出力電圧は、差動増幅器の非反転と反転入力に利用される。コンデンサは、差動増幅器の２つの入力間に接続される。該測定装置は、特に上記に記載されたフィールドセンサーとともに使用されるであろう。該測定装置は以下の基本原理で作動する。２枚のコンデンサプレートの配置は、電場においてコンデンサに電圧降下をもたらす。この電圧降下は、高抵抗であることが好ましくかつ低入力容量が好ましい差動増幅器を経由して、接地することによって切り離される。コンデンサを通って比較的大きな電流は、各コンデンサプレート間のフィールド強度と同様に測定する増幅器によって、妨害電圧の結合を最小限にする。該測定装置は、１Ｈｚから３０ＧＨｚ、特に５Ｈｚから４００ｋＨｚが好ましい周波数を有する電場および／または磁場の測定のために使用されることが好ましいであろう。特に該測定装置は、手工具としてまた電気的な伝導性のある回線を移動させる固定工具として、測定を行うように設計されることが可能であり、その結果として、測定誤差が最小限になるという利点がある。
さらなる好ましい特徴は、測定装置とコンデンサプレート対間との接続として細い配線を使用することである。その利点は、配線の断面積が小さいためコンデンサプレート対の大きさのプレートと比べて、フィールドに対する妨害が少ないことである。１対のコンデンサプレートに接続させるために、２つの配線はそれぞれ撚り合わされることが好ましい。したがって電流によって配線内で生じる磁場がお互いに相殺し、その結果として磁場は弱く保たれ、反転効果は小さくなる。
フィールドプレートと測定増幅器の間の距離は非常に大きいので、測定される電場に対する測定装置の妨害は少なくなることが好ましい。
測定される電場に対する測定装置の妨害をさらに避けるために、コンデンサと差動増幅器の面積はコンデンサプレートの面積と比べて小さい。本発明に係る電場および／または磁場の測定方法は、上記に記載されたフィールドセンサーとそれぞれの測定装置の組み合わせで実行されることが好ましい。特に測定を行う人間によってまたは電気回線によって生じる測定誤差は、測定機構に依存する当該方法に関する許容範囲内にとどめられることが可能である。これは、特にある一点で電場と磁場を同時に測定することによって達成される。さらに、フィールドの非同一性による誤差を避けるために、最小限度のセンサーが使用される。その上、電場または磁場を測定するとき、平均化することが避けられるという利点を最小限度のセンサーは有する。さらに測定される目的に接近するであろう。
特に感度の良いセンサーを使用することによって、本発明はＥＭＣ検査基準を満たす。
その上電場と磁場の３次元同時測定は、最大場を探すときに１次元測定において起こりうる測定誤差をできる限り避ける。
高抵抗機構およびセンサーとディスプレイユニット間の低容量を提供するために、測定を行う人間と測定装置との距離をより長くすることおよび測定装置に対する技術的処置によって、特に電場測定の正確さは改善される。
本発明に係る方法で電場と磁場が同時に測定されるであろう。電場、特に３次元の電場を測定するとき、測定を行う人間は彼／彼女の手に測定装置を所有することが好ましい。電場および／または磁場を測定するために、棒のような短いハンドルによって、装置は、測定を行う人間の体から距離を保つことがもっと好ましい。本発明に係る装置と方法の利点は、測定を行う人間は部屋内または空き地において装置とともに移動できることおよび数ｋＶ／ｍの高静電場が存在するならば、正確な測定も可能なことである。静電場が測定に影響を及ぼさないように、絶え間なく均一にセンサーが動かされることが好ましい。
本発明のさらなる特徴が従属クレイムに含まれる。
本発明は実施例に基づいて図面に示されるであろう。
図１は、３つのコイルと６枚のコンデンサプレートを含む３次元フィールドセンサーの略図を示す。
図２は、６枚のコンデンサプレートの概略的な配置を示す。
図３は、１２枚のコンデンサプレートの配置を示す。
図４は、電場および／または磁場を測定する装置のブロック図を示す。
図１における参照番号１は、互いにかみ合う３つの環状コイル２、３および４を含むフィールドセンサーを示す。コイル２はｘ-軸上に、コイル３はｙ-軸上に、コイル４はｚ-軸上に存在する。３つのコイルによって外側が球形の構造が形成され、６枚のコンデンサプレート５と１５、６と１６、７と１７がある。コンデンサプレートは２枚ずつ平行に配置され、コンデンサを形成する。コンデンサプレート５と１５はこの組み合わせでｘ-軸に、プレート６と１６を有するコンデンサはｙ-軸に、コンデンサプレート７と１７はｚ-軸に設けられる。
３つのコンデンサ５と１５、６と１６、７と１７が電場を測定するために役立つのと同様に３つのコイル２、３、４は３次元的に磁場を測定するために役立つ。
コンデンサプレートは都合良く非常に大きいので、図２に図示されているようにほとんど閉じた立方体を形成する。コンデンサプレートは円形を有し、完全にコイル２、３、４を内部に包む。
図３に係る実施の形態において、お互いから短い距離を有する重ね合わせコンデンサプレート対５と２５、６と２６、７と２７、１５と３５、１６と３６、１７と３７が設けられる。それぞれの場合において、それぞれ内部プレート２５、２６、２７、３５、３６、３７は、共通のアースに接続される。アース端子と他のプレートの端子のいずれも、回線内の電流による妨害を避けるために外側の辺に存在する。
コンデンサプレートの表面は高抵抗コーティングを有する。また、プレートが高抵抗な表面を有する物質で作られることも可能である。
図４は、磁場および電場を測定する装置の基礎回路について好ましい実施の形態を示す。それは、電場（Ｅ−ｆｉｅｌｄ）を１次元的に測定するコンデンサ対５と１５および磁場（Ｈ−ｆｉｅｌｄ）を１次元的に測定するコイル２を概略的に示す。
電場を測定する装置５０は差動増幅器５１を含む。該差動増幅器５１の非反転入力はコンデンサプレート１５に接続され、該差動増幅器５１の反転入力はコンデンサプレート５に接続される。コンデンサＣ１は該差動増幅器の各入力端子間に接続される。コンデンサプレート対５と１５および測定装置５０は、細い配線５３と５５を経由して接続される。それらは、互いに撚り合わされることが好ましい。差動増幅器５１の両入力端子は低入力容量Ｃストレー（Ｃｓｔｒａｙ）を有し、それはアースに対して０．５ｐＦから１μＦの範囲内であることが好ましい。両入力Ｒｉｎの入力抵抗は高抵抗を有し、アースに接続される。抵抗は、１ＭΩから１００ＴΩに分布することが好ましい。コンデンサＣ１の容量は、０．５ｐＦから１０μＦに分布することが好ましい。異なる測定範囲に対して感度が変えられるのに対して、容量は、例えば１ｎＦから１０ｎＦに切り替え可能であることが好ましい。差動増幅器５１の出力信号は整流器Ｄ１によって整流され、評価ユニット６０に送られる。
図示された例において、コンデンサプレートは正方形であり、５ｍｍから３００ｍｍの辺の長さを有することが好ましい。各コンデンサプレート間の距離は、ほぼコンデンサプレートの辺の長さに相当する。フィールドセンサー１と測定装置間の距離は５ｍｍから１０００ｍｍが好ましい。
図１から３に図示されているようなフィールドセンサーが使用されるとき、各コンデンサプレート対はそれぞれ測定装置５０に接続される。したがって、電場の同時３次元測定が可能である。
示された例において、コンデンサプレートは、プリントされた回路物質、ＦＲ４、ペルティナックス（Ｐｅｒｔｉｎａｘ）等のような高抵抗物質を含む。外側に面したコンデンサプレートのそれぞれは、黒鉛層のような伝導層とともに提供される。配線は、伝導性のラッカー／ニスによって各コンデンサプレートに接続される。
別の（示されていない）実施の形態において、プラスチックの立方体は注入鋳造である。６面のそれぞれはコンデンサプレートを形成する。この注入鋳造の立方体は空洞であり、例えばちょうつがいを付けられた蓋を有する箱を形成する。３つの垂直コイル２、３および４の配置（ｃｆ．図１、２および３）は、この箱に挿入される。該コイルは、接着剤でコンデンサプレートに固定されることが好ましい。
さらに図４は、コイル２に接続された積分器４０を含む、磁場を測定する装置の基礎回路を示す。示された実施の形態において、積分器４０はアースとダイオードＤ２に接続されたコンデンサＣ２を含む。該アースとダイオードＤ２のいずれもコイル２の一端に接続される。コイル２の他端は接地される。示された例において、コイルは環状または円筒形の配線を巻いたものを有し、その巻き数は１から５０，０００である。示された例において、コンデンサプレート５と１５の好ましい辺の長さに相当するほぼ３０ｍｍの直径を有する。
測定装置は、さらに評価手段６０を含む。差動増幅器５１の出力信号および積分器４０の出力信号がそれに利用される。出力信号は、評価手段６０によって生じ、評価された構造でディスプレイ７０に出力される。ディスプレイは棒グラフディスプレイを含み、さらにデジタル数値を出力することが好ましい。ディスプレイは、さらに信号強度の関数として周波数および／または音量を変える、および初期値と最終値を、対応するトーンに変換することが好ましい付加音響ディスプレイを含む。同時に２つの測定値の相等しい評価が実行される。
電場が３次元測定されるならば、３組のコンデンサプレート対５と１５、６と１６および７と１７の信号は３台の測定装置５０によって集められ、コイル２、３、４の信号は３台の測定装置４０によって集められ、評価手段６０に利用される。該評価手段は、アナログ・デジタル変換器およびデジタル信号をさらに処理するマイクロプロセッサを含む。出力信号が２乗され、その後該２乗が加えられ、和の平方根が計算される。その上基準化が成し遂げられる。このように得られた結果がディスプレイ７０に供給される。
さらに測定ユニットは、光導波管を経由して距離評価ユニットに固定せずに接続され、遠隔操作できることが好ましい。したがって特に完全に固定されていない測定が成し遂げられ、測定を行う人間がこれらの場にさらされることなく高電場または高磁場における測定が可能である。

Claims (35)

1. 電場および磁場を測定する手段を含むフィールドセンサー（１）であって、立方体に配置された少なくとも６枚のコンデンサプレート（５、６、７、１５、１６、１７、２５、２６、２７、３５、３６、３７）が設けられ、磁場を測定する手段が、６枚のコンデンサプレートによって形成された空間内に設けられ、該手段は３次元的に配置され、コイル（２、３、４）、ホール効果センサー、磁気抵抗器等を含むことが好ましいことを特徴とするフィールドセンサー（１）。
2. それぞれｘ-軸、ｙ-軸、ｚ-軸に沿って、互いに垂直に配置された３つの環状または円筒形コイルが設けられ、該コイルはコンデンサプレート（５、６、７、１５、１６、１７、２５、２６、２７）によって囲まれ、該コンデンサプレートは２枚ごとに互いに平行に配置されることを特徴とする請求項１に係るフィールドセンサー。
3. コイル（２、３、４）は、ほとんど同一の直径を有する環状でお互いにはめ込まれることを特徴とする請求項２に係るフィールドセンサー。
4. 各コイルには、該コイルの外側において、それぞれの該コイルに対して平行に設けられるコンデンサプレート対が割り当てられることを特徴とする請求項２または３に係るフィールドセンサー。
5. コンデンサープレート（５から３７）に高抵抗コーティングが設けられることを特徴とする前記請求項のいずれか１つに係るフィールドセンサー。
6. コンデンサープレート（５から３７）が高抵抗物質を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに係るフィールドセンサー。
7. コンデンサプレート（５から３７）が対になって配置され、各内部プレート（２５から３７）のそれぞれは電気的に共通のアース端子に接続されることを特徴とする前記請求項のいずれか１つに係るフィールドセンサー。
8. コンデンサプレート（５から３７）の電気配線が該コンデンサプレートの辺に設けられることを特徴とする前記請求項のいずれか１つに係るフィールドセンサー。
9. ａ）請求項１から８のいずれか１つに係るフィールドセンサー（１）と、
   ｂ）非反転および反転入力を含む差動増幅器（５１）を有する測定装置（５０）であって、一方のコンデンサプレート（５から３７）が該非反転入力に接続され、他方のコンデンサプレート（５から３７）が該反転入力に接続される測定装置（５０）と、
   コンデンサ（Ｃ１）の１つの端子が該差動増幅器（５１）の該非反転入力に、他方の端子が該差動増幅器（５１）の該反転入力に接続されるコンデンサ（Ｃ１）とによって特徴づけられる電場測定装置。
10. 該差動増幅器（５１）が低入力容量を有する該非反転および反転入力の両方で、アースに分離され、該入力容量（Ｃストレー）が両方の入力に対して同一であることが好ましい請求項９に係る装置。
11. 該差動増幅器（５１）の入力における該入力容量（Ｃストレー）が、０．５ｐＦと１μＦの間である請求項１０に係る装置。
12. 該差動増幅器（５１）の該非反転入力および該反転入力がオームの高い抵抗（Ｒｉｎ）を経てアースに接続され、該抵抗が１ＭΩから１００ＴΩに分布することが好ましい請求項９から１１のいずれか１つに係る装置。
13. 該コンデンサ（Ｃ１）の容量が０．５ｐＦから１０μＦの範囲にあり、１８０ｐＦから１．８ｎＦが好ましい２つの値間で、切り替え可能なことが好ましい請求項９から１２のいずれか１つに係る装置。
14. 該コンデンサプレート（５から３７）が互いに平行に配置され、同じ大きさを有することが好ましい請求項１から１３に係る装置。
15. 該コンデンサプレート（５から３７）が正方形で、５ｍｍから３００ｍｍの辺の長さを有することが好ましい請求項１から１４に係る装置。
16. ２枚の該コンデンサプレート（５から３７）間の距離が該コンデンサプレートの辺の長さと実質的に同一である請求項１５に係る装置。
17. 該コンデンサプレート対のそれぞれが、撚り合わされることが好ましい細い配線（５３、５５）を経て、該差動増幅器（５１）に接続され、各配線対が互いから一定の間隔があけられている請求項９から１６のいずれか１つに係る装置。
18. 該フィールドセンサー（１）と該差動増幅器間の距離は、５ｍｍないし１０００ｍｍである請求項９から１７のいずれか１つに係る装置。
19. 該差動増幅器（５１）および／または該コンデンサ（Ｃ１）の表面は、コンデンサプレートの表面より小さい請求項９から１８に係る装置。
20. 第１コンデンサプレート対がｘ-軸方向における電場を測定し、第２コンデンサプレート対がｙ-軸方向における電場を測定し、第３コンデンサプレート対がｚ-軸方向における電場を測定する請求項９から１９のいずれか１つに係る、３台の装置によって特徴づけられる３次元電場測定装置。
21. コンデンサプレートが正方形であり、隣接するプレート対について各コンデンサプレートの２辺間の距離が０．１ｍｍから５０ｍｍであり、１ｍｍが好ましい請求項２０に係る装置。
22. 該コンデンサプレートがプリントされた回路物質が好ましいプラスチックを含み、プレート対の他方のコンデンサプレートから遠いほうを向いている側面上に黒鉛層のような伝導層が設けられる請求項１から２１のいずれか１つに係る装置。
23. 好ましい端の領域において、各配線が伝導性ラッカー／ニスを含むコンデンサプレートに、それぞれ接続される請求項１７から２２のいずれか１つに係る装置。
24. ポリウレタンのような好ましいプラスチックの立方体は注入鋳造であり、該立方体の６面のそれぞれがコンデンサプレートを形成する請求項１から２３のいずれか１つに係る装置。
25. 該注入鋳造の立方体は空洞であり、蓋つきの箱を形成することが好ましく、該立方体の辺にちょうつがいが取り付けられることが好ましい請求項２４に係る装置。
26. 請求項１から８のいずれか１つに係るフィールドセンサー（１）によって特徴づけられる電場および磁場測定装置、およびコイル（２、３、４）に接続された少なくとも１つの積分器（４０）によって特徴づけられる請求項９から２５のいずれか１つに係る電場測定装置。
27. 該積分器（４０）がコイル（２、３、４）の端子と出力信号を供給する整流器（Ｄ２）とに接続され、かつアースに接続されたコンデンサ（Ｃ２）を含む請求項２６に係る装置。
28. 測定装置（５０）および／または積分器（４０）の出力信号が、評価手段（６０）に利用され、その結果が光および／または音響ディスプレイ（７０）に利用される請求項９から２７のいずれか１つの係る装置。
29. 電場の３次元測定の間に、該評価手段（６０）がまず３台の差動増幅器（５１）の各出力信号を２乗し、その後該２乗を足し、最終的に該和の平方根を求め、該平方根を該ディスプレイ（７０）に供給し、および／または磁場の３次元測定のために３台の積分器（４０）の各出力信号をまず２乗し、次に該２乗を足し、最終的に該和の平方根を求め、該平方根を該ディスプレイ（７０）に供給する請求項２８に係る装置。
30. 複数のコイルが接着剤によって接続されることが好ましく、コンデンサプレートがそれぞれの該コイルに接着剤で接続される請求項１から２９のいずれか１つに係る装置。
31. コイル領域における空間および各コンデンサプレート間の領域においてポリウレタン、ポリスチレン等のような発砲プラスチックで少なくとも部分的に満たされる請求項１から３０のいずれか１つに係る装置。
32. ３次元的に電場を測定すると同時に、３次元的に磁場を測定する請求項１から３１のいずれか１つに係る装置の使用。
33. 手にもって３次元測定する電場測定装置を、測定する人間が保持することを特徴とする請求項３２に係る使用。
34. 短いハンドルによって電場および／または磁場を測定する装置を、測定する人間が保持することを特徴とする請求項３２または３３に係る使用。
35. 別の方法で装置の動きによる交流場として検出される静電連続場によって測定誤差が最小限にされ、該装置のゆっくりで、静かな動きによって特徴づけられる低周波数領域が好ましい、請求項１から３１のいずれか１つに係る電場測定装置の使用。

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