利用可振动运动地构造的电极无接触地确定电势的方法以及设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于无接触地确定对象（1）的电势（U）的方法，包括步骤：a)提供可机械振动运动地构造的电极（2），所述电极在空间上与所述对象（1）有距离（）；b)将该电极（2）置于机械振动（f）中；c)确定所述电极的充电状态的时间变化（I）；d)求得在所述充电状态的时间变化（I）中的至少两个频率分量（f，2f）的幅度(；e)借助所求得的幅度(确定进入由电极（2）和对象（1）构成的装置的电容（C）的值中的至少一个参数(,)；f)借助所确定的参数(,)求得由电极（2）和对象（1）构成的装置的电容（C）；并且g)从所确定的充电状态的变化（I）和所求得的电容（C）中求得所述电势（U）。
【专利说明】利用可振动运动地构造的电极无接触地确定电势的方法以及设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于无接触地确定对象的电势的方法和设备。
【背景技术】
[0002]无接触地测量流过对象的电流是已知的。这可以经由感应耦合、霍尔(Hall)效应或GMR (Giant Magneto Resistance,巨磁电阻)效应进行。但是为了能够无接触地测量电功率，除了无接触的电流测量之外还需要用于无接触的电势测量的方法。该无接触的电势测量、尤其是对高电压的无接触的电势测量尤其是在智能仪表、智能电网和响应-需求策略的领域中特别重要。
[0003]对此的一种可能性由所谓的电场测试仪提供。所述电场测试仪使用感应的效应，以便能经由所求得的电场强度推导出待确定的电压。但是为此必须精确已知应当被确定电势的对象与电场测试仪的测量电极之间的距离以及测量电容中在测量电极与对象之间的材料(电介质)。为了还能够用电场测试仪测量直流电压，一般在测量电极与对象之间采用斩波器(叶轮)形式的遮板(场光阑)。
[0004]为了确定纯交流电压，还可以使用电容性分压器，其中在此同样必须已知参考电极与待测量电势之间的耦合电容。
[0005]两种方法或设备(电场测试仪和电容性分压器)都以对与待测量电压的耦合的精确认识为前提，尤其是以对测量电极与测量对象之间的距离的精确认识为前提。就这点而言，这些已知方法不适用于仅临时的测量过程或事后的测量安装。电场测试仪和电容性分压器针对精密测量固定安装并且在安装环境中经过校准。在手提测量设备的情况下，需要对测量结构的几何尺寸和材料特性(线路绝缘，空气，燃气，水蒸汽等)的精确认识。此外在市场上常见的电场测试仪中例如使用专门的垫片。但是垫片的缺点是其尤其是对于电绝缘线路的电势确定来说不直接设置在导电材料上并且由此只能不够精确地设定所述距离。此夕卜，绝缘材料的类型不能被考虑。如果已知的无接触电势测量方法的精密性不足，则通常必须进行接触式测量。
【发明内容】
[0006]本发明的任务是提供一种方法和一种设备，利用它们使得在耦合电容首先未知的情况下也能进行无接触的电势测量。
[0007]该任务通过具有权利要求1的特征的方法以及具有权利要求8的特征的设备解决。
[0008]本发明的方法用于无接触地确定对象的电势并且包括以下步骤:
a)提供可机械振动运动地构造的电极，所述电极在空间上与所述对象有距离；
b)将该电极置于机械振动中；
c)确定所述电极的充电状态的时间变化； d)求得在所述充电状态的时间变化中的至少两个频率分量的幅度；
e)借助所求得的幅度确定进入由电极和对象构成的装置的电容的值中的至少一个参
数；
f)借助所确定的参数求得由电极和对象构成的装置的电容；以及
g)从所确定的充电状态的变化和所求得的电容中求得所述电势。
[0009]因此在该方法的范畴中，可以直接确定电极与对象之间的耦合电容，从而尤其是不需要为了电势测量而事先认识或确定所述电容。由此实际的电势测量在该方法的范畴中近似以校准步骤为前提，通过该校准步骤可以求得确定所述耦合电容所需要的未知参数。与采用电场测试仪或电容性分压器不同，在采用所描述的方法的情况下在无接触的电势测量中不需要关于电极与对象的距离的认识或不需要关于电极与对象之间的材料的介电常数的认识。对测量设备的精确机械调整或定义的固定安装被取消。在该方法的范畴中可以精确确定所述电容。由此可以对未知电势进行非常精密的无接触测量。
[0010]优选的，该方法包括以下步骤: dl)确定在第一频率时的第一幅度；
d2)确定在第二频率时的第二幅度，所述第二频率的值是所述第一频率的值的整数倍；
以及
el)从第一幅度与第二幅度的比例中确定电极至对象的静止距离。
[0011]所述频率尤其可以是表征电极的充电状态的时间变化的频率。特别优选的是，确定在第二频率时的第二幅度，该第二频率的值是第一频率的值的两倍那么大。替换于确定静止距离地，还可以从第一幅度与第二幅度的比例中确定用介电常数加权的有效静止距离值。特别优选的是，超出预先给定的时间间隔地确定所述充电状态的时间变化并且对这样确定的变化曲线执行傅立叶分析。然后从该傅立叶分析中可以得出取决于频率分量的幅度，从而可以求得在基频时的第一幅度以及在与基频对应的谐波频率时的第二幅度并且从中确定所述比例。这种测量类型比较简单并且允许精确推断出电极至对象的静止距离。不需要直接的距离测量，例如经由机械垫片。校准过程总的来说简单并且耗费不高。在该方法的范畴中不需要与应当被确定电势的对象直接接触。由此也可以确定难以接近的对象的电势。
[0012]优选的，在步骤e)中通过数学关系和/或校准曲线确定所述至少一个参数。于是只需要一次校准测量，通过该校准测量确定该校准曲线或数学关系，并且可以向幅度值明确地分配至少一个参数。
[0013]优选的，在步骤b)中将电极置于机械振动中，使得电极的振动方向与通过对象的电势导致的电力线平行地延伸。于是实现了非常明确的物理状况并且对象与电极之间的耦合电容的确定可以非常简单地进行。非常精密的测量是可能的。
[0014]优选的，在步骤c)中通过测量再充电电流来确定电极的充电状态的时间变化。为此可以将参考电势载体与电极电连接并且在电极与参考电势载体之间布置电流测量设备。特别优选的是在使用放大器情况下的布置，借助该放大器将电极上降落的电压与可预先给定的参考电压相比较。电流测量可以非常精密地执行并且因此允许非常确切地推断出待确定的电势。特别优选的是，为了求得所述电势可以确定有效的再充电电流。
[0015]优选的，在步骤g)中通过数学关系和/或校准曲线从所确定的充电状态的变化中求得所述电势。
[0016]该方法允许确定对象上的时间恒定的电势。通过电极的振动就已经实现了对电极的可随时间变化的充电状态改变，该充电状态改变可以被测量。但是优选的，还可以借助该方法确定对象的可随时间变化并且可以由电振动频率来表征的电势。步骤b)中的电极在此优选被置于机械振动中，使得所属的机械振动频率大于电振动频率。特别优选的是机械振动频率与电振动频率的比例非常大。于是电极近似在对象上看见时间恒定的电势，并且可以执行去耦合的观察。于是对于交流测量和直流测量都不需要遮板或叶轮。
[0017]本发明的设备用于无接触地确定对象的电势并且包括:
-可以与对象在空间上有距离地布置的可机械振动运动地构造的电极；
-测量设备，其被构造为确定电极的充电状态的时间变化；以及-分析设备，其被构造为求得在所述充电状态的时间变化中的至少两个频率分量的幅度，借助所求得的幅度确定进入由电极和对象构成的装置的电容的值中的至少一个参数，借助所确定的参数求得由电极和对象构成的装置的电容，并且从所确定的充电状态的变化以及所求得的电容中求得所述电势。
[0018]优选的，电极被构造为导电板，该导电板基本上可在板法线的方向上振动运动，其中该板优选地与构造为电流测量设备的测量设备电连接。
[0019]参照本发明方法所描绘的优选实施方式及其优点也对应地适用于本发明的设备。【专利附图】
【附图说明】
[0020]下面借助实施例详细阐述本发明。
[0021]图1示出用于测量线路的未知电势的设备的示意图；
图2示出有效的再充电电流与测量电极至导体的静止距离的相关性；
图3A示出针对测量电极至线路的两个不同距离再充电电流与时间的相关性；
图3B示出通过来自图3A的曲线的傅立叶变换获得的幅度谱；
图4示出向图3B的幅度谱的每个幅度比例分配一个静止距离的校准曲线；以及 图5示出向每个有效的电流值分配线路的一个电压值的校准曲线。
[0022]附图中相同或功能相同的元件配备有相同的附图标记。
【具体实施方式】
[0023]图1示出线路1，该线路I是对象，该对象的电势或电压U应当被确定。为此在静止距离Cltl处布置可振动运动地构造的测量电极2。振动的能力在此仅示意性示出地可以通过两个弹簧5实现。该布置允许测量电极2在振动方向r上的机械振动并由此允许测量电极2在与测量电极2的面法线平行延伸的方向上的机械振动。测量电极2由金属构造而成，从而由于在线路I的电场E中的感应而得出测量电极2的充电状态的改变。这种再充电可以通过测量再充电电流I得到检测。再充电电流I在此情况下由测量设备3检测，该测量设备是参考电势载体。
[0024]测量设备3包括具有第一输入端和第二输入端的放大器4,第一输入端与测量电极2电连接，并且第二输入端接地。放大器4的输出端经由电阻R与第一输入端电连接。
[0025]在测量方法的范畴中，测量电极2被置于在振动方向r上的具有频率f的机械振动中。得出以下物理关系:
通过线路I和测量电极2实现具有耦合电容C的平板电容器装置。电容C根据下式来计算:
【权利要求】
1.用于无接触地确定对象(I)的电势(U)的方法，包括步骤: a)提供可机械振动运动地构造的电极(2)，所述电极在空间上与所述对象(I)有距离(i ) b)将该电极(2)置于机械振动(f)中； c)确定所述电极的充电状态的时间变化(I)； d)求得在所述充电状态的时间变化(I)中的至少两个频率分量(f，2f)的幅度(I(f),I(2f))； e)借助所求得的幅度(1(f),(2f))确定进入由电极(2)和对象(1)构成的装置的电容(C)的值中的至少一个参数(FA ); f)借助所确定的参数O求得由电极(2)和对象(1)构成的装置的电容(C);以及 g)从所确定的充电状态的变化(I)和所求得的电容(C)中求得所述电势(U)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤: dl)确定在第一频率(f)时的第一幅度I(f)); d2)确定在第二频率(2f)时的第二幅度(1(2f))，所述第二频率的值是所述第一频率Cf)的值的整数倍；以及 el)从第一幅度(Km与第二幅度(I(2f))的比例(V)中确定电极(2)至对象(I)的静止距离(4)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤e)中通过数学关系和/或校准曲线(Kl)确定所述至少一个参数(ε,d0)。
4.根据上述权利要求之一所述的万法，其特征在于，在步骤b)中将电极(2)置于机械振动中，使得所述电极的振动方向(r )与通过对象(I)的电势(U)导致的电力线(E )平行地延伸。
5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在步骤c)中通过测量再充电电流(I)来确定电极(2)的充电状态的时间变化。
6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在步骤g)中通过数学关系和/或校准曲线(K2)从所确定的充电状态的变化(I)中求得所述电势(U)。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述电势(U)可随时间变化并且能通过电振动频率表征，以及所述电极(2)在步骤b)中被置于机械振动中，使得所属的机械振动频率(f)大于该电振动频率。
8.用于无接触地确定对象(I)的电势(U)的设备，包括: -能够与对象(I)在空间上有距离(d0 )地布置的可机械振动运动地构造的电极(2)； -测量设备(3)，其被构造为确定所述电极(2)的充电状态的时间变化(I);以及 -分析设备，其被构造为求得在所述充电状态的时间变化(I)中的至少两个频率分量(f，2f)的幅度(kj.):1w))，借助所求得的幅度(/(/U'(2/))确定进入由电极(2)和对象(I)构成的装置的电容(C)的值中的至少一个参数(S，4 )，借助所确定的参数(s，)求得由电极(2)和对象(I)构成的装置的电容(C)，并且从所确定的充电状态的变化(I)以及所求得的电容(C)中求得所述电势(U)。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述电极(2)被构造为导电板，该导电板基本上能在板法线的方向(r)上振动运动，并且该板与构造为电流测量设备的测量设备(3)电连 接。
【文档编号】G01R31/312GK103460057SQ201180070096
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2011年4月14日 优先权日:2011年4月14日
【发明者】J.席默, J.马库斯, D.沙伊布纳 申请人:西门子公司