WO2017121489A1 - ANORDNUNG UND VERFAHREN ZUR MESSUNG VON INTEGRALEN FELDGRÖßEN STROMFÜHRENDER ANORDNUNGEN - Google Patents

ANORDNUNG UND VERFAHREN ZUR MESSUNG VON INTEGRALEN FELDGRÖßEN STROMFÜHRENDER ANORDNUNGEN Download PDF

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Andreas Fackelmeier
Sebastian Martius
Benjamin Sewiolo
Marcus ZERB
Andreas Ziroff
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    • G01R15/247—Details of the circuitry or construction of devices covered by G01R15/241 - G01R15/246

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for measuring integral field quantities of current-carrying arrangements according to the preamble of claim 1, and to a method for measuring integral field quantities of current-carrying arrangements according to the preamble of claim 10.
  • These components may e.g. Switching elements, electronic assemblies or measuring points, which must be isolated against the earth's potential. Above all, the energy is transmitted wirelessly, for example via the so-called “Radio Frequency Identification (RFID)” technology or via fiber-optic cables .
  • RFID Radio Frequency Identification
  • the received power is well below one watt, mostly in the 10 OmW range used diode-based rectifier with respect to current and voltage peaks and cooling to have limitations.
  • the object of the invention is to provide a method and an arrangement which overcome the disadvantages of the aforementioned solutions. This object is achieved by an arrangement for measuring integral field quantities of current-carrying arrangements according to the features of claim 1 and by a method for Measurement of integral field quantities of current-carrying arrangements according to the features of claim 12.
  • a dielectric waveguide is arranged along the path contributing to the integration.
  • dielectric waveguides are both structurally physically connected and functionally interact with current-carrying arrangements and thus provide additional functions for the current-carrying arrangement or other arrangements to be measured.
  • the invention also impresses by the galvanic isolation of the ground potential (earth).
  • the dielectric waveguide is configured such that at least one of the properties of an electromagnetic wave guided through the dielectric waveguide correlates with at least one of the field variables.
  • Strontium Tinat formed so correlates the change Polari ⁇ tion with the change in the guided in the dielectric waveguide wave and corresponding detection devices can be ge ⁇ uses, while the formation of the dielectric waveguide by lithium niobate a correlation of change of the electromagnetic wave and mechanical stress and temperature detectable and the combination of both makes the use of both correlations possible.
  • Degrees of freedom in the frequency and radiation behavior of the dielectric waveguide are advantageously achieved. is sufficient if the invention is developed in such a way that the dielectric waveguide is composed of several materials, or is further developed such that the materials, the dielectric waveguide at least on a part of its length, each other in the longitudinal and / or transverse direction of the dielectric conductor are arranged distributed.
  • the degrees of freedom allow a further adaptation to the external requirements.
  • the dimension but also the energy consumption can be reduced if the invention is developed in such a way that the dielectric waveguide is designed such that at least parts of the energy of the field quantities to be measured provide the energy for the operation of the dielectric waveguide.
  • the invention can alternatively or additionally be developed such that the dielectric waveguide see a separate from the current-carrying arrangement energy source for the operation of the dielectric Wel ⁇ lenleiters is connected.
  • the dielectric waveguide is such out ⁇ staltet that metallic structures and / or at least parts of current-carrying assemblies are embedded in it.
  • the embedding can for example serve to protect and shield a circuit.
  • the metallic structures offer additional degrees of freedom in the optimization / manipulation of the arrangements involved.
  • the method for measuring of integral field sizes current-carrying assemblies is configured such that for at least one solution Erfas ⁇ integral field size, a dielectric waveguide is used along the contributing to the integration path. Due to its features, the method according to the invention lays the foundation for unfolding the advantages of the arrangement according to the invention and its developments. The invention and further advantages will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments illustrated in FIGS. 1a and 1b. It shows the
  • a dielectric waveguide DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER which is composed of several materials.
  • Such an embodiment of the dielectric waveguide DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER has effects on the frequency and radiation behavior of the dielectric waveguide
  • DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER that for the integration in any circuit whose integral field sizes to be measured, degrees of freedom, in particular for alignment and optimization to the requirements of the surrounding circuit ⁇ elements and / or detection / measuring devices offer.
  • the materials are placed offset in the transverse direction and this over the entire length of the dielectric waveguide
  • DIELEKTRI SCHER_WELLENLEI HE can reproduce.
  • the problem can be encountered that the measurement of integral field quantities, such as current, electrical or mechanical voltage or temperature, is very complicated in certain applications.
  • a voltage measurement in the high-voltage environment is such an application.
  • the measuring system does not allow a galvanic connection to the earth and that this measuring system is additionally rollover resistant.
  • DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER Due to the properties of the dielectric waveguide DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER the disadvantage of the known from the prior art measuring the voltage across a capacitive voltage divider is overcome.
  • DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER are designed so that the field size to be measured changes the electrical properties of the waveguide. Through skillful design, the path integration of the field properties of interest can thus be carried out by measuring the electrical properties of the waveguide.
  • the invention provides three approaches for the metrological detection of changes in the guided in the waveguide elec- tromagnetic wave, which can be detected metrologically:
  • the dielectric waveguide In addition, the dielectric waveguide
  • DIELEKTRI SCHER_WELLENLEI ER can contribute to the power supply of the measuring circuit for measuring the electrical properties of the dielectric waveguide but can also have its own source or draw its energy from the field quantities to be measured. A communication of the measured variable is also feasible according to a further development via the dielectric waveguide DIELEKTRI SCHER_WELLENLEI ER.
  • Exemplary materials that can be used for one of the illustrated dielectric waveguides DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER, as they can show specific changes of the electromagnetic ⁇ tica wave by external influences are barium strontium titanate and lithium niobate.
  • barium strontium titanate a change of Pola ⁇ ization of the guided electromagnetic waves by an external E-field is created, while in lithium niobate a change in the guided electromagnetic wave is performed by mechanical stress or temperature.
  • the space saving according to the invention could in principle also be achieved by using an optical fiber.
  • the dielectric waveguide has far more advantages, because this is basically comparable in its physical ⁇ mode of action with an optical fiber transmission, but in contrast additionally •
  • the dielectric waveguide - despite space savings, which is possible with it - can be designed substantially larger than an optical fiber, so that the coupling of the microwave signal is much easier possible and the tolerance requirements are relatively low and offers the opportunity for further developments, the elements of An ⁇ order to integrate in the waveguide,
  • the structuring of the dielectric waveguide is possible without problems, both from a manufacturing point of view and from the perspective of the tolerance requirements that occur,
  • the power supply of circuits embedded in the waveguide is easily possible via the electromagnetic field coupling in the waveguide,

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Messung von integralen Feldgrößen stromführender Anordnungen, bei denen ein dielektrischer Wellenleiter entlang des zur Integration beitragenden Wegs angeordnet ist, der zur Erfassung entlang des zur Integration beitragenden Wegs verwendet wird.

Description

Beschreibung
Anordnung und Verfahren zur Messung von integralen Feldgrößen stromführender Anordnungen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von integralen Feldgrößen stromführender Anordnungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Messung von integralen Feldgrößen stromführender Anordnungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Es ist allgemein bekannt, dass in energietechnischen Anlagen Komponenten angesteuert und mit Energie versorgt werden müs¬ sen. Hierbei muss sichergestellt sein, dass Systemkomponenten gegen ein Hochspannungspotential isoliert sind, weshalb ein galvanisch getrennter Aufbau notwendig wird.
Diese Komponenten können z.B. Schaltelemente, Elektronik- Baugruppen oder Messstellen sein, welche gegen das Erdpoten- zial isoliert werden müssen. Die Energieübertragung erfolgt dabei vor allem drahtlos, beispielsweise über die so genannte „Radio Frequency Identification (RFID) " Technologie oder über Lichtwellenleiter . Die empfangene Leistung liegt dabei deutlich unter einem Watt, zumeist im 10 OmW-Bereich . Dies liegt daran, dass die hierfür genutzten diodenbasierten Gleichrichter bzgl. Strom- und Spannungsspitzen sowie Entwärmung Limitierungen aufweisen .
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, die die Nachteile der vorgenannten Lösungen überwinden. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zur Messung von integralen Feldgrößen stromführender Anordnungen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Messung von integralen Feldgrößen stromführender Anordnungen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung von integra- len Feldgrößen stromführender Anordnungen ist ein dielektrischer Wellenleiter entlang des zur Integration beitragenden Wegs angeordnet.
Hierdurch sind kleinere Ausmaße möglich, beispielsweise da- durch, dass dielektrische Wellenleiter sowohl konstruktiv physisch verbunden werden, als auch funktional mit stromführenden Anordnungen interagieren und damit weitere Funktionen für die zu messendende stromführende Anordnung oder andere Anordnungen zur Verfügung zu stellen. Insbesondere bei Anwen- dung im Hochspannungsumfeld besticht die Erfindung auch durch die galvanische Trennung vom Grundpotenzial (Erde) .
Bei einer Weiterbildung ist der dielektrische Wellenleiter derart ausgestaltet, dass mindestens eine der Eigenschaften einer durch den dielektrischen Wellenleiter geführten elektromagnetischen Welle, mit mindestens einer der Feldgrößen normiert korreliert. Dadurch sind nicht nur die Feststellung einer Änderungsrichtung, sondern auch exakte Messungen von integralen Feldgrößen möglich und auch auf Messungs-/Erfas- sungseinrichtungen hin optimierbar.
Ist der dielektrische Wellenleiter zumindest aus Barium
Strontium Tinat gebildet, so korreliert die Änderung Polari¬ sierung mit der Änderung der im dielektrischen Wellenleiter geführten Welle und entsprechende Erfassungsgeräte können ge¬ nutzt werden, während die Bildung des dielektrischen Wellenleiters durch Lithiumniobat eine Korrelation von Änderung der elektromagnetischen Welle und mechanische Spannung sowie Temperatur erfassbar macht und die Kombination aus beidem ent- sprechend die Nutzung beider Korrelationen möglich macht.
Freiheitsgrade im Frequenz- und Abstrahlverhalten des dielektrischen Wellenleiters werden auf vorteilhafte Weise er- reicht, wenn die Erfindung derart weitergebildet wird, dass der dielektrische Wellenleiter aus mehreren Materialien zusammengestellt ist, oder derart Weitergebildet wird, dass die Materialen den dielektrischen Wellenleiter zumindest auf ei- nem Teil seiner Länge, zueinander in Längs- und/oder Querrichtung des dielektrischen Leiters verteilt angeordnet sind. Die Freiheitsgrade ermöglichen eine weitere Anpassung an die äußeren Erfordernisse. Es kann die Dimension aber auch der Energieverbrauch reduziert werden, wenn die Erfindung derart weitergebildet wird, dass der dielektrische Wellenleiter derart ausgestaltet ist, dass zumindest Teile der Energie der zu messenden Feldgrößen die Energie für den Betrieb des dielektrischen Wellenleiters bereitstellen.
Falls dies nicht erwünscht ist oder vollständig ausreicht für eine Energieversorgung, kann die Erfindung alternativ oder ergänzend derart weitergebildet werden, dass dem dielektri- sehen Wellenleiter eine von der stromführenden Anordnung separate Energiequelle für den Betrieb des dielektrischen Wel¬ lenleiters angeschlossen ist.
Zur weiteren Reduktion des genutzten Raumes kann es von Vor- teil sein, wenn der dielektrische Wellenleiter derart ausge¬ staltet ist, dass metallische Strukturen und/oder zumindest Teile von stromführenden Anordnungen in ihm eingebettet sind. Die Einbettung kann zum Beispiel zum Schutz und Abschirmung einer Schaltung dienen. Die metallischen Strukturen bieten zusätzliche Freiheitsgrade bei der Optimierung/Manipulation der beteiligten Anordnungen.
Wird der dielektrische Wellenleiter derart ausgestaltet und angesteuert, dass er zur Informationsübertragung genutzt wird, sind weitere Einsparungen von Raum möglich, da eine se¬ parate Kommunikationsübertragungsvorrichtung entfallen kann. Das Verfahren zur Messung von integralen Feldgrößen stromführender Anordnungen ist derart ausgestaltet, dass zur Erfas¬ sung mindestens einer integralen Feldgröße ein dielektrischer Wellenleiter entlang des zur Integration beitragenden Wegs verwendet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren legt durch seine Merkmale die Grundlage zur Entfaltung der Vorteile durch die erfindungsgemäße Anordnung und deren Weiterbildungen . Nachfolgend werden die Erfindung und weitere Vorteile anhand der in den Figuren la und lb dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt die
Figur la einen unterschiedliche Materialien aufweisenden
dielektrischen Leiter in Längsrichtung und
Figur lb einen unterschiedliche Materialien aufweisenden
dielektrischen Leiter in Querrichtung.
In der Figur la ist als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ohne Darstellung der Messanordnung ein dielektrischer Wellenleiter DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER dargestellt, der aus mehreren Materialien zusammengesetzt ist.
In der Figur la ist durch die Punkte angedeutet, dass sich diese Heterogenität der eingebrachten zusätzlichen quer verlaufenden unterschiedlichen Materialen in Längsrichtung fortpflanzt .
Eine derartige Ausgestaltung des dielektrischen Wellenleiters DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER hat Auswirkungen auf Frequenz- und Abstrahlverhalten des dielektrischen Wellenleiters
DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER, die für die Integration in einer beliebigen Schaltung, deren integrale Feldgrößen gemessen werden soll, Freiheitsgrade, insbesondere zur Ausrichtung und Optimierung auf die Erfordernisse der umgebenden Schaltungs¬ elemente und/oder Erfassungs-/Messvorrichtungen, bieten. Gleiches gilt für die in Figur lb dargestellte Variante der Ausgestaltung mit mehreren Materialien. Hier ist zu erkennen, dass als Weiterbildung die Materialien in Querrichtung betrachtet versetzt eingebracht sind und sich dies über die ganze Länge des dielektrischen Wellenleiters
DIELEKTRI SCHER_WELLENLEI ER fortpflanzen kann.
Unter Anderem mit diesen Ausführungen des dielektrischen Wellenleiters kann der Problemstellung, dass die Messung von in- tegralen Feldgrößen, wie Strom, elektrische bzw. mechanische Spannung oder Temperatur, bei bestimmten Anwendungen sehr aufwendig ist, begegnet werden.
Beispielsweise ist eine Spannungsmessung in der Hochspan- nungsumgebung so eine Anwendung. Hier ist es wichtig, dass durch das Messsystem keine galvanische Verbindung zur Erde ermöglicht wird und dieses Messsystem zusätzlich überschlagsfest ist. Diese Eigenschaften bietet ein erfindungsge¬ mäß entlang des Integrationswegs der Feldgröße eingebrachter dielektrischer Wellenleiter DIELEKTRI SCHER_WELLENLEI ER .
Aufgrund der Eigenschaften des dielektrischen Wellenleiters DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER wird der Nachteil des aus dem Stand der Technik bekannten Messens der Spannung über einen kapazitiven Spannungsteiler überwunden.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch weiter unterstützt, dass die Eigenschaften des dielektrischen Wellenleiters
DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER so gestaltet sind, dass die zu messende Feldgröße die elektrischen Eigenschaften des Wellenleiters verändert. Durch geschickten Entwurf kann so die Wegintegration der interessierenden Feldeigenschaften durch Messung der elektrischen Eigenschaften des Wellenleiters durchgeführt werden.
Dabei bietet die Erfindung drei Ansätze zur messtechnischen Erfassung von Änderungen der im Wellenleiter geführten elek- tromagnetischen Welle, die messtechnisch erfasst werden können :
Drehung der Polarisationsebene,
- Änderung der Dämpfung,
Frequenzverschiebung.
Hinzu kommt, dass der dielektrische Wellenleiter
DIELEKTRI SCHER_WELLENLEI ER zur Energieversorgung der Mess- Schaltung zur Messung der elektrischen Eigenschaften des dielektrischen Wellenleiters beitragen kann aber auch eine eigene Quelle besitzen oder ihre Energie aus den zu messenden Feldgrößen beziehen. Eine Kommunikation der gemessenen Messgröße ist gemäß einer weiteren Weiterbildung ebenfalls zusätzlich über den dielektrischen Wellenleiter DIELEKTRI SCHER_WELLENLEI ER machbar.
Beispielmaterialen, die für einen der dargestellten dielek- frischen Wellenleiter DIELEKTRI SCHER_WELLENLEITER verwendet werden können, da sie spezifische Änderung der elektromagne¬ tischen Welle durch äußere Einflüsse vorweisen können, sind Barium Strontium Titanat und Lithiumniobat . Bei Barium Strontium Titanat entsteht eine Änderung der Pola¬ risierung der geführten elektromagnetischen Wellen durch ein äußeres E-Feld, während bei Lithiumniobat eine Änderung der geführten elektromagnetischen Welle durch mechanische Spannung bzw. Temperatur erfolgt.
Die erfindungsgemäße Raumeinsparung ließe sich grundsätzlich auch durch die Nutzung einer optischen Faser erzielen.
Demgegenüber weist der dielektrische Wellenleiter weit mehr Vorteile auf, weil dieser grundsätzlich in seiner physikali¬ schen Wirkungsweise zwar mit einer optischen Faserübertragung vergleichbar ist, aber demgegenüber zusätzlich • der dielektrische Wellenleiter - trotz Platzeinsparung, die mit ihm möglich ist - wesentlich größer ausgebildet sein kann als eine optische Faser, so dass die Einkopplung des Mikrowellensignals wesentlich einfacher möglich ist und die Toleranzanforderungen vergleichsweise gering sind sowie die Möglichkeit für Weiterbildungen bietet, die Elemente der An¬ ordnung im Wellenleiter zu integrieren,
• die Strukturierung des dielektrischen Wellenleiters ohne Probleme möglich ist, sowohl aus fertigungstechnischer Sicht wie aus Sicht der auftretenden Toleranzanforderungen,
• die Einbettung von Schaltungen, selbst in den dielektrischen Wellenleiter nicht nur aufgrund des Größenfreiheitsgra- des möglich ist, sondern auch aufgrund seiner anderen Eigenschaften, ohne Probleme möglich ist,
• die Energieversorgung von Schaltungen, die im Wellenleiter eingebettet sind, problemlos über das elektromagnetische Feldkopplung im Wellenleiter möglich ist,
• die Einbettung auch metallischer Strukturen in den Wellenleiter möglich ist, · konstruktiv auch bei eingebetteten Strukturen im Wellenleiter eine homogene und glatte, kriechentladungsfeste Ober- flächenstrukturierung erreicht werden kann und sich damit besonders in räumlichen Bereichen hoher elektrischer Feldstärken deutliche Vorteile für den praktischen Einsatz ergeben,
• die elektrischen Isolationseigenschaften vergleichbar gut wie bei optischen Faser sind und die Beschränkung auf Hochspannungsanwendungen nicht zwingend ist.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Messung von integralen Feldgrößen stromführender Anordnungen, dadurch gekennzeichnet, dass ein dielektrischer Wellenleiter entlang des zur Integration beitragenden Wegs angeordnet ist.
2. Anordnung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Wellenleiter derart ausgestaltet ist, dass mindestens eine der Eigenschaften einer durch den dielektrischen Wellenleiter geführten elektromagnetischen Welle, mit mindestens einer der Feldgrößen normiert korreliert.
3. Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Wellenleiter zu¬ mindest aus Barium Strontium Tinat und/oder Lithium- niobat gebildet ist.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Wellenlei¬ ter aus mehreren Materialien zusammengestellt ist.
5. Anordnung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialen den dielektrischen Wellenleiter zumindest auf einem Teil seiner Länge, zuei¬ nander in Längs- und/oder Querrichtung des dielektrischen Leiters verteilt angeordnet sind.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Wellenlei¬ ter derart ausgestaltet ist, dass zumindest Teile der Energie der zu messenden Feldgrößen die Energie für den Betrieb des dielektrischen Wellenleiters bereitstellen.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem dielektrischen Wellenleiter eine von der stromführenden Anordnung separate Energiequelle für den Betrieb des dielektrischen Wel¬ lenleiters angeschlossen ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass der dielektrische Wellenle ter derart ausgestaltet ist, dass metallische Struktu ren und/oder zumindest Teile von stromführenden Anord nungen eingebettet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Wellenlei ter derart ausgestaltet und angesteuert ist, dass er zur Informationsübertragung genutzt wird.
Verfahren zur Messung von integralen Feldgrößen stromführender Anordnungen derart ausgestaltet, dass zur Er fassung mindestens einer integralen Feldgröße ein dielektrischer Wellenleiter entlang des zur Integration beitragenden Wegs verwendet wird.
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