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Messung von Strömen bekannt geworden, elektrische Leiter mit einer Zange berührungslos abzugreifen, wobei die Zange den Leiter möglichst vollständig umgeben soll. Wenn an einem ringförmigen magnetsschen Leiter, welcher den stromdurchflossenen Leiter weitestgehend vollständig umgibt, ein Spulensystem angeordnet ist, wird in einem derartigen Spulensystem eine dem Strom im elektrischen Leiter proportionale Grösse induziert und auf Grund der bekannten Proportionalität des Induktionsstromes zur die Induktion bewirkenden Messgrösse, ist auf diese Weise eine berührungslose Bestimmung von Stromstärken möglich.
Für die kontaktlos Bestimmung von Gleichströmen mit Hilfe solcher Stromzangen wird in dem bekannten Verfahren die Strommessung auf eine Magnetfeldmessung mit Hallsonde oder Magnetisierungskenntiniensonden zurückgeführt. Diese Sonden weisen jedoch Nachteile hinsichtlich Offset. Rauschen und Temperaturfehler auf. Weiters ist es nachteilig, dass dieses Verfahren nur dann durchführbar ist, wenn der Leiter, in welchem der zu bestimmende Strom fliesst, zur Gänze umgriffen werden kann.
Es Ist bekannt, dass elektromagnetische Wechselfelder in Spulen Signale induzieren, welche sich in der Folge zu verschiedenen Anzeigen eignen. Eine quantitative Auswertung zur Bestimmung der Messgrösse selbst ist aber In der Regel mangels geeigneter Referenzfelder nicht ohne weiteres möglich.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit weichem die berührungslose bzw. kontaktlos Bestimmung von Gleich-oder Wechse ! spannungen,-strömen, Leistun- gen oder Widerständen selbst dann ermöglicht wird, wenn der elektrische Leiter, an weichem derartige kontaktlos Messungen vorgenommen werden sollen, nicht zur Gänze umgriffen werden kann. Weiters zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem Gleichspannungen oder Gleichströme dann exakt erfasst werden können, wenn der elektrische Leiter, an welchem die Messung vorgenommen werden soll, zur Gänze umgriffen werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemässe Verfahren im wesentlichen darin, dass wenigstens zwei Spulensysteme in das elektromagnetische Feld des Leiters in verschiedenem Abstand von diesem positioniert werden, wobei für die Bestimmung von Gleichspannungen und/oder-strömen ein elektrisch leitender Bauteil in der Nähe der Spulen in penodische mechanische Schwingungen versetzt wird, dass die Signale der Spulen, gegebenenfalls nach einer Korrektur ihrer Phasen, einer Subtrahierschaltung zur Bestimmung einer Spannungsdifferenz bzw.
eines Spaunungsgradienten zugeführt werden und dass in einer Auswerteschaltung der Quotient aus dem Quadrat eines Spannungsmesswertes und des Spannungsgradienten gebildet und einem Ausgang zugeführt wird und dass die Messwerte von zwei um ein Vielfaches der halben Wellenlänge der periodischen Schwingung des elektrisch leitenden Bauteiles zueinander versetzte Spulensysteme verglichen werden. Dadurch, dass zwei in Abstand voneinander angeordnete Spulensysteme zum Einsatz gelangen, wird zunächst sichergestellt, dass in den beiden voneinander verschiedenen Spulensystemen ihrem Abstand entsprechend unterschiedliche Spannungen induziert werden.
Mit Rücksicht auf den bekannten Abstand zwischen den beiden Spulensystemen bzw. mit Rücksicht auf den Umstand, dass die Verschiedenheit der Messgrössen nunmehr eine Kompensation ermöglicht, gelingt es, auf die tatsächliche zu messende Messgrö- sse rückzurechnen bzw. rückzuschliessen. Im Falle der Bestimmung von Gleichspannungen und/oder Gleichströmen, ist es hier allerdings erforderlich, für eine entsprechende Induktion Sorge zu tragen und dies gelingt dadurch, dass erfindungsgemäss die Spulen und/oder ein elektrisch leitender Bauteil in der Nähe der Spulen in periodische mechanische Schwingungen versetzt werden.
Die Auswertung der elektnschen Signale, welche In einem derartigen Spulensystem induziert werden, erfolgt erfindungsgemäss so, dass die Signale der Spulen, gegebenenfalls nach einer Korrektur ihrer Phasen, einer Subtrahierschaltung zur Bestimmung einer Spannungsdifferenz bzw. eines Spannungsgradienten zugeführt werden und dass in einer Auswerteschaltung der Quotient aus dem Quadrat eines Spannungsmesswertes und des Spannungsgradienten gebildet und einem Ausgang zugeführt wird.
Eine derartige Quotientenbildung ermöglicht es darüberhinaus, das Verfahren, wie es der Erfindung entspricht, so durchzuführen, dass die Messwerte von zwei um ein Vielfaches der halben Wellenlänge der periodischen Schwingung des elektrisch leitenden Bauteiles zueinander versetzte Spulensysteme verglichen werden, dass in vorteilhafter Weise das dem Leiter abgewandte Spulensystem einem System zur Erzeugung von Referenzfeldern ausgesetzt wird, und dass die Referenzfelder so gesteuert und verändert werden, bis ein Abgleich auf Null der Messwerte der Spulensysteme erzielt wird. Mit einer derartigen Verfahrensführung lassen sich überaus kleine Messgrössen exakt und reproduzierbar erfassen.
Für die kontaktlos Bestimmung von Gleichströmen bzw. Gleichspannungen können als mechanische Schwingungen Ultraschallschwingungen verwendet werden, wobei derartige mechanische Schwingungen mit Rücksicht auf die relativ hohe Frequenz von Ultraschallschwingungen naturgemäss auch im Falle von niedngfrequenten Wechselspannungen oder Wechselströmen noch keine Störung der Messung bewirken
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würden. Zwischen Gleichspannungen und Gleichströmen bzw. Wechselspannungen und Wechselströmen kann jedoch in einfacher Weise dadurch unterschieden werden, dass beispielsweise der Schwingungserreger abgeschaltet wird, worauf im Falle von Gleichspannungen bzw. Gleichströmen ein weiteres Signal für eine Auswertung nicht mehr zur Verfügung steht.
Um sicherzustellen, dass die Messwerte durch den Antrieb des mechanischen Erregers der periodischen Schwingungen nicht beeinträchtigt werden, kann mit Vorteil das erfindungsgemässe Verfahren so durchgeführt werden, dass der (die) Erreger der mechanischen periodischen Schwingungen intermittierend betrieben wird (werden) und dass die Messwerte der Spulensysteme in abgeschaltetem Zustand der (des) Erreger (s) einer Auswertung und Bearbeitung unterzogen werden. Insbesondere im Falle von Ultraschallschwingungen kann davon ausgegangen werden, dass nach Abschalten des mechanischen Erregers die periodischen Schwingungen nicht rasch genug abklingen, um nicht in der Folge noch einen hinreichend grossen Zeitraum für eine Messung mit gleichmässigen periodischen Schwingungen des Spulensystemes zur Auswertung heranziehen zu können.
Im Falle der Bestimmung von Gleichströmen kann, wie eingangs erwähnt, dann, wenn der elektrische Leiter zur Gänze von einem Teil der Messsonde umgeben werden kann, mit Vorteil so vorgegangen werden, dass anstelle der Magnetfeldmessung mit Hallsonde oder Magnetisierungskennliniensonden eine Magnetfeldmessung und daraus abgeleitet eine Strombestimmung derart durchgeführt wird, dass das Signal zumindest einer Spule, gegebenenfalls im Zusammenwirken mit magnetisch leitenden Bauteilen entlang eines Teiles der Feldlinien, verarbeitet wird, wobei zumindest ein magnetischer Bauteil oder die Spule selbst, oder ein elektrisch leitender Teil in der Umgebung der Spule in periodische mechanische Schwingungen versetzt wird.
Das elektrische Spulensystem kann in diesem Falle in einem Spalt oder in der Nähe des Spaltes eines ringförmigen, den elektrischen Leiter umgebenden, magnetisch leitenden Bauteils angeordnet werden, wobei die mechanische Erregung nur auf den magnetisch leitenden Bauteil oder auf die Spulen oder auf einen elektrisch leitenden Bauteil in deren Nähe zur Wirkung gebracht werden. Auf diese Weise erhält man auch dann Messsignale zur Strombestimmung, wenn die Sonde den Leiter nicht vollständig umschliesst.
Im Falle der kontaktlosen Bestimmung von Spannungen ist das elektrische Feld als Messgrösse heranzuziehen. Ein elektrisches Feld kann in elektrischen Leitern eine Spannung influenzieren, wobei in der Folge Potentialdifferenzen zwischen der influenzierten Spannung und einer Referenz gemessen werden können. Mit Vorteil wird das Verfahren zur kontaktlosen Bestimmung elektrischer Spannungen hiebei so ausgeführt, dass wenigstens zwei Elektroden in das elektrische Feld des Leiters bewegt werden und im Falle der Bestimmung von Gleichspannungen die Elektroden und/oder ein elektrisch leitender Bauteil in periodische Schwingungen versetzt werden, wobei das Potential einer influenzierten Spannung gegen einen Referenzpunkt gemessen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ; Fig. 2 eine Teilansicht in Richtung des Pfeiles 11
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Auswertung von mit den Spulensystemen der Ausbildung gemäss Fig. 1 aufgenommenen Messgrössen im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens ; Fig. 5 in einer zu Fig. 1 ähnlichen Darstellung eine abgewandelte Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, wobei ein Referenzsputensystem Verwendung findet ; Fig. 6 ein Schaltdiagramm zur Auswertung von mit der Ausführungsform gemäss Fig. 5 aufgenommenen Messgrössen ;
Fig. 7 schematisch eine weitere abgewandelte Ausführungsform, wobei lediglich schwingende Elektroden Verwendung finden ; Fig. 8 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles VIII der Fig. 7 ; Fig. 9 eine Draufsicht in Richtung des Pfeiles IX der Fig. 7 ; und Fig. 10 eine schematische Darstellung in einem Schnitt auf den Leiter einer weiteren Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
In Fig. 1 ist mit 1 ein elektrischer Leiter bezeichnet, In welchem durch eine kontaktlos Messung eine elektrische Messgrösse bestimmt werden soll. Zur kontaktlosen Bestimmung von Gleichspannungen werden in die Nähe des elektrischen Leiters Elektroden 2 in unterschiedlichem Abstand vom Leiter gebracht, wobei den Elektroden ein in periodische mechanische Schwingungen versetzbarer bzw. versetzter Bauteil 3 zugeordnet ist, welcher selbst wiederum elektrisch leitend ist. Die gegenseitige räumliche Anordnung der Elektroden 2 sowie des elektrisch leitenden und schwingenden Bauteiles 3 ist in Fig. 2 näher dargestellt.
Dabei ist mit 4 strichliert die Mittellinie des schwingenden Bauteiles 3 angedeutet. Weiters sind in Fig. 2 Anschlüsse 5 zu den Elektroden angedeutet. Durch den periodisch bewegten, elektrisch leitenden Bauteil 3 wird das elektrische Feld in der Umgebung des Leiters 1 verzerrt, wodurch in den Elektroden 2 ein Signal influenziert wird, welches nach einer Auswertung zur Bestimmung der elektrischen Messgrösse herangezogen werden kann.
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Zusätzlich oder alternativ ist weiters vorgesehen, dass zwei ebenfalls in unterschiedlichem Abstand vom
Leiter 1 angeordnete Spulensysteme 6 in die Nähe des Leiters 1 gebracht werden, wobei zur Bestimmung von Gleichströmen und Wechselströmen Im elektnschen Leiter die Spulen 6 wiederum mit dem periodisch schwingenden Bauteil 3 zusammenwirken, indem dieser das magnetische Feld durch die Wirbelströme in diesem Bauteil verzerrt, wodurch in den Spulen 6 ein Signal induziert wird, welches nach einer Auswertung zur Bestimmung der elektrischen Messgrösse herangezogen werden kann.
Die räumliche Anordnung der
Spulensysteme 6 relativ zum periodisch schwingenden Bauteil 3 ist in Fig. 3 näher dargestellt, wobei bei der gezeigten Ausführungsform die Spulen 6 symmetrisch relativ zum Bauteil 3 angeordnet sind, so dass insgesamt vier Spulen Verwendung finden, welche jeweils paarweise angeordnet sind. Dies trägt zu einer
Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung der elektrischen Messgrösse bei. Die Anordnung von lediglich zwei Spulen In unterschiedlichem Abstand vom elektrischen Leiter 1 ist jedoch ausreichend. Bei Verwen- dung von Doppelspulen ist es unerheblich, ob die Signale der Teilspulen durch Verbinden der Anschlüsse in der gezeichneten Weise verknüpft werden, oder ob die Verknüpfung erst in der Auswerteschaltung 7 oder später erfolgt.
Anstelle der Verwendung eines elektrisch leitenden und periodisch schwingenden Bauteiles 3 können die Spulen bzw. Elektroden selbst in Schwingungen versetzt werden, so dass in den schwingenden Spulen 6 bzw. Elektroden 2 entsprechende Signale induziert werden können. Bei Messung von Wechselspannungen oder Wechselströmen kann auf den schwingenden Bauteil 3 bzw. eine schwingende Anordnung der Spulen verzichtet werden, da gemäss bekannten Gesetzmässigkeiten entsprechende Messgrössen abgenommen werden können.
Neben der Bestimmung von Spannungen bzw. Stromstärken können gemäss ebenfalls bekannten
Gesetzmässigkeiten Widerstände und Leistungen aus den gewonnenen Signalen abgeleitet werden.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten schematischen Schaltkreis sind die Spulen 6 angedeutet, welche in
Analogie zur Ausführungsform gemäss den Fig. 1 und 3 paarweise relativ zur Mittellinie 4 des schwingenden
Bauteiles 3 angeordnet sind. Die an den Spulen 6 abgenommenen Signale werden einem ersten Auswerte- element 7 zugeführt, in welchem eine Anpassung, eine Verstärkung und gegebenenfalls eine Phasenkom- pensation vorgenommen wird. Anschliessend gelangen sie in ein Element 8 für eine Übersprechkompensa- t ! on, worauf anschliessend ein Wert UB für die Spannung und ein zweiter Wert Um für den Gradienten der
Spannung zwischen den zwei Spulen erhalten wird. Die Übersprechkompensatlon und die Bildung von UB und UBG kann auch in einem Zuge erfolgen.
Es erfolgt anschliessend eine Quotientenbildung zwischen dem
Quadrat der Spannung UB und dem Gradienten UBG woraus sich ein Spannungswert Ui ergibt, weicher entsprechend dem Pfeil 10 einer Anzeige oder weiteren Auswertung zugeführt werden kann.
Dies kann dabei derart erfolgen, dass die Messsignale drahtlos mit Funkübertragung oder mit Lichtüber- tragung zu einer Auswerteeinheit gesendet werden und/oder Steuersignale drahtlos von der Auswerteeinheit zum Schaltkreis übertragen werden.
Bel der Ausführungsform gemäss den Fig. 5 und 6 werden für gleiche Bauteile die Bezugszeichen der vorangehenden Ausführungsform beibehalten. Zusätzlich zu den im unterschiedlichem Abstand vom Leiter
1 angeordneten Spulensystemen 6, welche wiederum bei der Bestimmung von Gleichspannungen bzw.
Gleichströmen mit dem periodisch schwingenden, elektrisch leitenden Bauteil 3 zusammenwirken, ist in einem Abstand, welcher einem Vielfachen n der halben Wellenlänge des periodisch schwingenden Bautei- les 3 entspricht, ein weiteres System von Spulen 11 vorgesehen, wobei das System von Spulen 11 einem
Spulensystem 12 zur Simulierung des festzustellenden Spannungswertes UB und einem Spulensystem 13
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ersichtlich ist.
Der periodisch schwingende, elektrisch leitende Bauteil 3 wird bei der gezeigten Ausführungsform durch einen schematisch angedeuteten Piezokristall 14 zu seiner Schwingung angeregt, wobei der Piezo 14 sich In einem Knoten der Schwingung des Bauteiles 3 befindet. Alternativ zu dem Erreger 14 kann in einem Bauch der Schwingung des Bauteiles 3 ein elektromagnetischer Schwinger 15 vorgesehen sein, welcher In Fig. 5 stnchliert angedeutet ist.
Zusätzlich zu den in Fig. 4 gezeigten Komponenten des Schaltkreises sind bei der Ausführungsform gemäss Fig. 6 Stromtreiber 16 vorgesehen, welche, wie oben erwähnt, zur Erzeugung eines Referenzfeldes bzw. zur Simulierung der zu bestimmenden Messgrössen herangezogen werden. Die Signale sämtlicher Spulen bzw. Spulensysteme 6 und 11 werden wiederum den Bauteilen 7 und 8 zugeführt, woraus Signale für die Spannung Uso und den Spannungsgradienten UBGO Regelverstärkern 17 zugeführt werden, wobei eine Veränderung der Verhältnisse in den Referenzspulensystemen 12 und 13 über die Stromtreiber 16 so lange erfolgt, bis ein Abgleich der Messgrösse der Spulensysteme 6 und 11 auf Null erfolgt.
Bei Erreichen eines derartigen Abgleiches wird wiederum im Element 9 der Quotient aus dem Quadrat der Spannung Us und dem Spannungsgradienten UBG gebildet, woraus sich wiederum der Spannungswert U, ableiten lässt,
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welcher einer Anzeige bzw. Auswertung über 10 zugeführt wird.
Träger der Information für das Magnetfeld bzw. den Magnetfeldgradienten in den Fig. 4 und 6 sind Amplituden der Signale Us bzw. Uec. deren Frequenz und Phasenlage durch die Ultraschallschwingung des Teiles 3 vorgegeben ist. Es geht daher keine Information verloren, wenn in den Signalwegen ein Amplitudendemodulator, beispielsweise ein Gleichrichter oder ein von der bekannten Ultraschallschwingung gesteuerter Synchrondemodulator bzw. Multiplizierer, und ein Tiefpassfilter vorgesehen ist. Jedenfalls ist die AMDemodulation vor Weiterleitung des Signals an die Anzeige bzw. am Eingang des Regelverstärkers sinnvoll.
Wenn eine einfache Gleichrichtung verwendet wird, kann die Phasenkompensation entfallen.
Hochfrequenzsignale, die gleichzeitig oder abwechselnd mit den ultraschallfrequenten Signalen gemessen werden, können auch in einem weiteren parallelen Signalweg, gegebenenfalls nach Frequenzgang, Phasengang- und Laufzeitkorrektur, in gleicher Weise durch Bildung von Us und Uac sowie durch Quotientenbildung zwischen dem Quadrat des Signals Us und des Signals UBG ausgewertet und zur Anzeige gebracht werden.
Da eine Realisierung der Schaltung als IC zweckmässig ist, sollte berücksichtigt werden, dass die Signale bereits nach Anpassung und Verstärkung im Element 7 digitalisiert werden können und dass die weitere Signalverarbeitung, wie Phasenkompensation, Übersprechkompensation usw., durch Rechenalgorithmen realisiert werden können. Im Falle der Fig. 6 können die Regelverstärker 17 ebenfalls durch Regelalgorithmen verwirklicht werden. Vor den Stromtreibern 16 hätte wieder eine Digital-Analog-Umsetzung zu erfolgen.
Bei der Ausführungsform gemäss den Fig. 7 bis 9 sind unmittelbar mit dem periodisch schwingenden Bauteil 3 sich quer zur Längsachse des Leiters 1 erstreckende Drahtelemente oder Streifenelemente 19 gekoppelt, deren Länge so abgestimmt ist, dass diese bei der Longitudinalschwingung des Bauteils 3 zu einer Biegeschwingung angeregt werden, wie dies schematisch durch 19'in Fig. 9 angedeutet ist, wobei weiters in Fig. 9 mit XB die Wellenlänge der Biegeschwingung angedeutet ist. Durch den schwingenden Bauteil 19 wird das elektrische Feld in der Umgebung des Leiters verzerrt, wodurch in den Elektroden 18 Signale influenziert werden, welche nach einer Auswertung zur Bestimmung der elektrischen Messgrössen herangezogen werden können. Zusätzlich kann ein Strommesssystem mit Spulen 6 verwendet werden.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 10 wird der elektrische Leiter 1 von einem magnetisch leitenden Bauteil 20 nahezu vollständig umgeben, wobei in einem Spalt 21 dieses magnetisch leitenden Bauteiles 20 eine Spule bzw. ein Spulensystem 22 angeordnet ist, welche (s) zur Bestimmung von Gleich- und/oder Wechselströmen wiederum mit einem periodisch schwingenden Bauteil 3 gekoppelt ist.
Bei Einsatz von Ultraschall als mechanische Schwingungen des Bauteiles 3 finden bei einer Frequenz von beispielsweise 50 kHz Amplituden von 1 um Verwendung. Weiters wird bei Verwendung von Ultraschall das Verfahren zu einer Vermeidung von Störungen bei der Auswertung der Signale so durchgeführt, dass der Erreger intermittierend betneben wird und dass die tatsächliche Bestimmung der zu ermittelnden Messgrössen in denjenigen Zeiträumen erfolgt, in welchen der Erreger abgeschaltet ist. Bei Verwendung von Ultraschall klingen die Schwingungen so langsam ab, dass in den für eine Messung benötigten relativ kurzen Zeiträumen auf jeden Fall von konstanten periodischen mechanischen Schwingungen ausgegangen werden kann.