DE102019213334B4

DE102019213334B4 - Sensoranordnung zum Detektieren eines elektrischen Felds

Info

Publication number: DE102019213334B4
Application number: DE102019213334.7A
Authority: DE
Inventors: Jochen Ermisch; Reinhold Keck; Hans-Peter Lindner
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: HSP HOCHSPANNUNGSGERAETE GMBH, DE
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2024-02-08
Anticipated expiration: 2039-09-04
Also published as: DE102019213334A1; WO2021043550A1

Abstract

Sensoranordnung (10) zum Detektieren eines durch einen elektrischen Leiter (12) hervorgerufenen elektrischen Felds (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (10) ein Gehäuse (16) aufweist, in dem eine mit dem elektrischen Leiter (12) elektrisch leitend verbindbare Messelektrode (18) angeordnet ist, wobei die Sensoranordnung (10) ferner einen Sensor (26) umfasst, mit dem ein von der Messelektrode (18) ausgehendes elektrisches Feld (14) detektierbar ist, wobei der Sensor (26) mit einer auf einem Bezugspotential liegenden Elektrode (28) elektrisch verbindbar ist, wobei der Sensor (26) in dem Gehäuse (16) angeordnet ist, und wobei der Sensor (269 ferner von außerhalb des Gehäuses (16) für eine Datenkommunikation kontaktierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (18) mittels einer Schraube (20) als Befestigungsmittel an dem Leiter (12) befestigbar ist, so dass die Messelektrode (18) auf einem dem Leiter (12) entsprechenden Potential liegt wobei die Messelektrode (18) einen Elektrodenteil (22) mit einer flächigen Ausdehnung aufweist und wobei an dem Elektrodenteil (22) eine elektrisch isolierende Schicht (24) vorgesehen ist, die in Richtung eines Sensors (26) an der Messelektrode (18) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Detektieren eines elektrischen Felds.
Sensoren zum Bestimmen eines elektrischen Felds sind weitläufig bekannt. Sie dienen etwa dazu, durch das elektrische Feld auf eine Spannung in einem elektrischen Leiter zu schließen und so etwa einzuschätzen, ob der Leiter spannungsfrei ist.
Es ist ferner bekannt, derartige Sensoren in mikromechanischer Bauweise, etwa als sogenannte MEMS-Sensoren, auszubilden.
Diesbezüglich beschreibt beispielsweise US 2011/241702 A1 eine Sensoranordnung zur Erfassung eines elektrischen Felds. Diese Sensoranordnung kann eine Anordnung von MEMS-basierten resonanten Tunnelbauelementen enthalten. Eine Resonanztunnelvorrichtung kann konfiguriert sein, um ein Resonanztunnelsignal in Reaktion auf das elektrische Feld zu erzeugen. Die Resonanztunnelvorrichtung kann mindestens einen Elektronenzustandsdefinierer enthalten, der auf Änderungen in mindestens einer jeweiligen steuerbaren Eigenschaft des Elektronenzustandsdefinierers anspricht. Die Änderungen in der steuerbaren Charakteristik sind konfiguriert, um das Tunnelsignal zu beeinflussen. Eine Anregungsvorrichtung kann mit der Resonanztunnelvorrichtung gekoppelt sein, um mindestens eine der Änderungen in der steuerbaren Charakteristik zu bewirken, die das Tunnelsignal beeinflussen. Eine Steuerung kann mit der Resonanztunnel-vorrichtung und der Erregungsvorrichtung gekoppelt sein, um die Änderungen der steuerbaren Charakteristik gemäß einer automatisierten Steuerungsstrategie zu steuern, die konfiguriert ist, um eine Auswirkung von Rauschen auf eine Messung des elektrischen Feldes zu reduzieren.
CN 106597065 betrifft ferner ein berührungsloses MEMS-Gleichstrom-Hochspannungselektroskop, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine MEMS-Wechselstrom-Gleichstrom-Erfassungssonde zum Erfassen des elektrischen Feldsignals in der Umgebung enthält; eine Signalerfassungs-einheit zum Empfangen des elektrischen Feldsignals und Durchführen einer Rauschunterdrückung; einen Mikrocontroller, der das elektrische Feldsignal nach dem Entrauschen empfängt und basierend auf dem elektrischen Feldsignal ein positives Signal oder ein negatives Signal erzeugt; und ein akustooptisches Alarmmodul zum Anzeigen des positiven oder negativen Signals. Das elektrische MEMS-Feld realisiert die elektrische Felddetektion basierend auf dem Prinzip der Ladungserfassung und umfasst eine Erregerelektrode, eine Abschirmelektrode und eine Induktionselektrode.
Aus der DE 69926792 T2 ist eine Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Potentials zwischen einem ersten und einem zweiten Leiter bekannt, wobei die Leiter voneinander beabstandet und jeweils an einen entsprechenden ersten bzw. zweiten Anschluss angekoppelt sind, die durch eine Wegstrecke voneinander beabstandet sind.
Aus der CN 108362928 A ist ein berührungsloser elektrischer Feldkopplungssensor bekannt, der an einer Hochspannungsausrüstung auf dem Dach einer elektrischen Lokomotive um eine Oberleitung herum angeordnet ist.
Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen können jedoch noch weiteres Verbesserungspotential bieten, insbesondere hinsichtlich einer verlässlichen Detektion des elektrischen Felds und hinsichtlich einer guten Langzeitstabilität des Sensors.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, durch welche zumindest zum Teil eine verlässliche Detektion des elektrischen Felds und/oder eine gute Langzeitstabilität des Sensors erreicht werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß zumindest zum Teil durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß ferner zumindest zum Teil durch eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
Beschrieben wird eine Sensoranordnung zum Detektieren eines durch einen insbesondere spannungsführenden elektrischen Leiter hervorgerufenen elektrischen Felds, wobei die Sensoranordnung ein Gehäuse aufweist, in dem eine mit dem elektrischen Leiter elektrisch leitend verbindbare Messelektrode angeordnet ist, wobei die Sensoranordnung ferner einen Sensor umfasst, mit dem ein von der Messelektrode ausgehendes beziehungsweise hervorgerufenen elektrisches Feld detektierbar ist, wobei der Sensor mit einer auf einem Bezugspotential liegenden Elektrode, die auch als Bezugselektrode beziehungsweise Referenzelektrode bezeichnet werden kann, elektrisch verbindbar ist, wobei der Sensor in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Sensor ferner von außerhalb des Gehäuses für eine Datenkommunikation kontaktierbar ist, und wobei die Messelektrode mittels einer Schraube als Befestigungsmittel an dem Leiter befestigbar, so dass die Messelektrode auf einem dem Leiter entsprechenden Potential liegt wobei die Messelektrode einen Elektrodenteil mit einer flächigen Ausdehnung aufweist und wobei an dem Elektrodenteil eine elektrisch isolierende Schicht vorgesehen ist, die in Richtung eines Sensors an der Messelektrode angeordnet ist.
Eine derartige Sensoranordnung erlaubt zumindest zum Teil eine verlässliche Detektion des elektrischen Felds und/oder eine gute Langzeitstabilität.
Die hier beschriebene Sensoranordnung dient insbesondere dem Detektieren eines durch einen elektrischen Leiter hervorgerufenen elektrischen Felds. Ein elektrisches Feld wird dabei insbesondere dann hervorgerufen, wenn der Leiter Spannung führt. Durch die Detektion des elektrischen Felds kann weiterhin auf die am elektrischen Leiter anliegende Spannung geschlossen werden. Dies kann oftmals wichtig sein, um etwa bei einem vorliegenden Leiter ermitteln zu können, ob der Leiter spannungslos ist oder ob etwa noch eine Spannung anliegt. Beispielsweise aber in keiner Weise beschränkend kann dies etwa wichtig sein bei Montagearbeiten oder bei ServiceArbeiten.
Die hier beschriebene Sensoranordnung umfasst ein Gehäuse, in dem eine mit dem elektrischen Leiter elektrisch leitend verbindbare Messelektrode angeordnet ist. Die Messelektrode ist somit bevorzugt mit dem elektrischen Leiter verbindbar beziehungsweise verbunden. In letzterem Fall kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass der Leiter durch das Gehäuse geführt wird beziehungsweise dass der Leiter zumindest zum Teil innerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
Die Elektrode liegt somit auf dem gleichen elektrischen Potential, wie der elektrische Leiter. Dadurch kann ein zu dem elektrischen Leiter entsprechendes elektrisches Feld von der Messelektrode ausgehen. Entsprechend kann das von der Messelektrode ausgehende Feld detektiert und dadurch auf die in dem elektrischen Leiter vorliegende elektrische Spannung geschlossen werden.
Hierzu umfasst die Sensoranordnung einen Sensor, mit dem das von der Messelektrode ausgehende elektrische Feld detektierbar ist. Grundsätzlich ist die Ausgestaltung des Sensors nicht beschränkt, insoweit durch den Sensor das elektrische Feld detektierbar ist. Beispiele für derartige Sensoren sind auf dem technischen Gebiet für den Fachmann grundsätzlich bekannt und beispielsweise in dem vorbeschriebenen Stand der Technik beschrieben. Beispiele arbeiten etwa mit einer kontaktlosen Messung, beispielsweise auf dem grundsätzlich bekannten Prinzip der Feldmühle.
Für eine Auswertung ist es ferner vorgesehen, dass der Sensor mit einer auf einem Bezugspotential liegenden Elektrode elektrisch verbindbar ziehungsweise verbunden ist. Dies kann von Wichtigkeit sein, da eine Auswertung der Messung des elektrischen Felds insbesondere durch einen Vergleich der detektierten Größe mit einem bekannten Potential möglich sein kann. Hierzu kann der Sensor oder auch eine Auswerteeinheit mit einem Bezugspotential verbunden sein.
Der Sensor ist dabei in dem Gehäuse angeordnet und wird dadurch durch das Gehäuse gegen äußere Einflüsse geschützt. Insbesondere ist der Sensor vollständig in dem Gehäuse angeordnet beziehungsweise von dem Gehäuse umgeben, etwa in diesem eingehaust.
Um eine Detektion auszuwerten und/oder und die von dem Sensor erhobenen Daten zu verwenden ist es ferner vorgesehen, dass der Sensor von außerhalb des Gehäuses für eine Datenkommunikation kontaktierbar ist. Dies kann beispielsweise ermöglicht sein, indem der Sensor mit einer Datenverbindung, etwa einem Datenkabel, verbunden ist, welche durch das Gehäuse verläuft und etwa mit einem mit einem entsprechenden Anschluss versehen sein kann. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass an dem Gehäuse ein Anschluss vorgesehen ist, der etwa über ein Datenkabel oder eine andere Datenverbindung mit dem Sensor für eine Datenverbindung verbunden ist, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Beispielsweise sind auch sogenannte kabellose Datenverbindungen möglich.
Durch eine hier beschriebene Sensoranordnung wird es möglich, dass der Sensor durch das Gehäuse sicher vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Es wird somit verlässlich verhindert, dass der Sensor verschmutzt und hierdurch verfälschte Messergebnisse liefert.
Darüber hinaus wird es so möglich, dass der Sensor einen einfachen Aufbau aufweist und so etwa auf Schutz-Bauteile des Sensors selbst, wie etwa auf Abdeckungen, etwa aus Glas, in Ausgestaltungen der Sensoranordnung verzichtet werden kann. Dies kann weiterhin ermöglichen, dass das Sensorsignal besonders verlässlich ist, da keine Beeinflussungen des elektrischen Felds durch die Schutz-Bauteile des Sensors selbst auftreten.
Die flächige Ausgestaltung des Elektrodenteils dient der Homogenisierung des elektrischen Felds. Die elektrisch isolierende Schicht kann es ermöglichen, dass die Gefahr für Spannungsüberschläge zwischen der Messelektrode und dem Sensor deutlich reduziert oder sogar ganz verhindert wird. Dies gewährleistet einen besonders sicheren Betrieb und kann ferner die Messgenauigkeit wie auch die Langzeitstabilität positiv beeinflussen.
Bei der beschriebenen Sensoranordnung ist es ferner möglich, dass der Sensor und die E-Feld erzeugende Mess-Elektrode konstruktiv in geeigneten, insbesondere festen Positionen und damit einem definierten Abstand zueinander in das gemeinsame Gehäuse eingebracht werden. So wird es möglich, über die Lage, den Anstand und die Form der Messelektrode beziehungsweise der Spannungselektroden das elektrische Feld anwendungsspezifisch für die Erfassung im Sensor zu optimieren. Insbesondere kann eine Anpassung der Sensoranordnung für verschiedene Spannungsbereiche durch eine Einstellung des Abstands zwischen Sensor und Messelektrode eingestellt beziehungsweise kalibriert werden. Dies ermöglicht ein hoch anpassbares und dadurch exaktes Messverhalten des Sensors.
Bevorzugt kann es vorgesehen sein, der Sensor als MEMS-Sensor ausgestaltet ist. Unter einem MEMS-Sensor (MEMS - Micro-Electro-Mechanical System) kann insbesondere ein derartiger Sensor verstanden werden, der als Bauelement ausgestaltet ist, der Logikelemente und mikromechanische Strukturen in einem Chip vereinen und/oder beispielsweise basierend auf Silizium hergestellt sein kann. Die Strukturen können kleiner als ein Mikrometer sein.
Derartige Sensoren ermöglichen somit kleinformatige Ausgestaltungen bei niedrigen Kosten. Somit kann eine hohe Anwendungsbreite auch bei kleinstem Raumbedarf kostengünstig umgesetzt werden.
Insbesondere bei der Verwendung derartiger Sensoren kann die vorliegende Erfindung ihre Vorteile besonders effektiv ausbilden. Denn bei MEMS-Sensoren ist es bekannt, dass diese aufgrund ihrer kleinen Strukturen wirksam gegen äußere Einflüsse, wie etwa mechanische Einflüsse oder Verschmutzungen, geschützt werden sollten, um eine verlässliche Messung und einen langzeitstabilen Betrieb zu gewährleisten.
Hierzu ist es im Stand der Technik oftmals vorgesehen, dass die Sensoren beziehungsweise deren zu schützende Strukturen, insbesondere Messstrukturen, mit einer Abdeckung, wie etwa einer Glasplatte, abgedeckt sind. Dabei kann es jedoch zu dem Nachteil insbesondere bei einer Messung eines E-Felds von Gleichspannung dazu kommen, dass durch die Glasplatte ein Gegenfeld erzeugt wird, welches das Messergebnis verfälschen oder sogar unbrauchbar machen kann. Dies kann durch die vorliegende Erfindung überwunden werden. Denn die Funktion der Abdeckung, wie etwa der Glasplatte, kann durch das Gehäuse übernommen werden, so dass ein verlässliches und exaktes Messergebnis kombiniert werden kann mit einer guten Langzeitstabilität. Denn, wie vorstehend beschrieben, der Sensor kann durch das Vorsehen des Gehäuses, in dem der Sensor angeordnet ist, wirksam und verlässlich gegen äußere Einflüsse geschützt werden auch dann, wenn der Sensor selbst keinen direkten Schutz gegen äußere Einflüsse aufweist.
Entsprechend kann es beispielsweise für MEMS-Sensoren aber in keiner Weise beschränkt hierauf vorgesehen sein, dass der Sensor eine Messanordnung aufweist, die zu der bezüglich des Sensors äußeren Atmosphäre freiliegt. In anderen Worten liegt die Messanordnung zu dem Inneren des Gehäuses und damit zu der Messelektrode frei. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem auf eine entsprechende Abdeckung, wie etwa eine Glasplatte, die an dem Sensor vorgesehen ist, verzichtet wird.
Dadurch kann wie vorstehend bereits angedeutet es verhindert werden, dass insbesondere bei der Messung eines durch eine Gleichspannung erzeugten elektrischen Felds die Abdeckung, wie etwa die Glasplatte, ein Gegenfeld erzeugt beziehungsweise eine Beeinflussung des elektrischen Messfelds auftritt. Somit kann bei einem besonderen einfachen Aufbau und damit einer einfachen Herstellbarkeit des Sensors eine hohe Langzeitstabilität mit einer exakten Messung kombiniert werden.
Die Messelektrode weist einen Elektrodenteil zum Homogenisieren oder zum Verstärken des elektrischen Felds auf. Diese Ausgestaltung erlaubt eine anwendungsspezifische Anpassung des Felds an den Sensor beziehungsweise ermöglicht optimale Messbedingungen des E-Felds für den Sensor. Das derartige Elektrodenteil weist eine flächige Ausdehnung für eine Homogenisierung auf. Zusätzlich kann das Elektrodenteil eine gekrümmte Ausdehnung für eine Verstärkung aufweisen. Grundsätzlich kann das Elektrodenteil jedoch in geeigneter Weise ausgestaltet sein, um das elektrische Feld zu verstärken oder zu homogenisieren.
Beispiele für eine elektrisch isolierende Schicht können etwa eine Beschichtung oder eine aufgebrachte vorgefertigte Schicht umfassen. Als nicht beschränkendes Beispiel kann eine vorgefertigte Folie aus einem elektrisch isolierenden Material aufgebracht werden, wie etwa eine Folie, die hergestellt ist aus Polyimid, wie etwa die unter der Bezeichnung Kapton vertriebene Folie. Jedoch ist die elektrisch isolierende Schicht auch auf andere Arten an der Elektrode vorsehbar, wie etwa durch einen Verguss der Elektrode in einem entsprechenden Material, beispielsweise einem Vergussmaterial aus einem Epoxidharz.
Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass das Gehäuse zumindest teilweise mit elektrisch leitfähigen Schirmbereichen versehen ist. Diese Ausgestaltung kann das Messergebnis unter Umständen signifikant verbessern, da von außen auf den Sensor wirkende Fremdfelder effektiv abgeschirmt werden können. Somit kann die Messung besonders exakte und verlässliche Ergebnisse liefern.
Beispiele für derartige Abschirmungen können beispielsweise metallische oder metallisierte Bereiche sein, die an oder in dem Gehäuse vorgesehen sind.
Es ist ersichtlich, dass derartige Abschirmungen an herkömmlichen Sensoren, wie insbesondere MEMS-Sensoren nur schwer oder gar nicht umsetzbar waren, so dass insbesondere in dieser Ausgestaltung die Sensoranordnung wie hier beschrieben gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik auch hinsichtlich des Messergebnisses verbessert sein können.
Es kann weiterhin vorteilhaft sein, in dem Gehäuse ferner eine Verarbeitungselektronik angeordnet ist, die mit dem Sensor für eine Datenkommunikation verbunden ist.
Diese Ausgestaltung erlaubt eine besonders einfache Anbindung an bestehende Systeme, da der Sensor mit einer Verarbeitungselektronik an elektronische Systeme auf einfache Weise anschließbar sein kann.
Darüber hinaus kann auch die Verarbeitungselektronik besonders effektiv vor äußeren Beeinflussungen geschützt werden, so dass die Vorteile hinsichtlich einer verbesserten Langzeitstabilität auch hinsichtlich der Verarbeitungselektronik gelten. Dies, ohne dass es besonderer Schutzmechanismen für die Verarbeitungselektronik bedarf.
Die Verarbeitungselektronik kann dabei als ein Prozessor ausgebildet sein, der Daten von dem Sensor erhält und anhand einer Auswertung des ermittelten elektrischen Felds vor dem Hintergrund der Referenzelektrode eine Auswertung hinsichtlich der Spannung der Messelektrode und damit des elektrischen Leiters erlauben kann. Grundsätzlich kann die Verarbeitungselektronik einer Verarbeitung von Sensordaten des Sensors dienen.
Weiter bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass die auf einem Bezugspotential liegende Elektrode, also die Referenzelektrode beziehungsweise Bezugselektrode, eine geerdete Elektrode ist. Diese Ausgestaltung kann einen besonders einfachen Aufbau erlauben, da die Referenzelektrode lediglich geerdet werden braucht. Trotz des einfachen Aufbaus kann diese Ausgestaltung exakte Messungen erlauben.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass das Gehäuse luftdicht, bevorzugt druckstabil, ausgebildet ist. Dies kann insbesondere bedeuten, dass bei einem in dem Gehäuse vorliegenden Atmosphärendruck kein Luftaustausch mit der das Gehäuse umgebenden Atmosphäre stattfindet oder sogar, dass ein gewünschtes innerhalb des Gehäuses vorliegendes Vakuum oder ein innerhalb des Gehäuses vorliegender Schutzgasüberdruck stabil in dem Gehäuse bestehen bleibt. Dies kann es anwendungsspezifisch erlauben, dass eine für einen Sensor, wie etwa einen MEMS-Sensor, optimal geeignete Messumgebung beziehungsweise optimal geeignete Messbedingungen vorliegen können.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale der Sensoranordnung wird hiermit auf die Beschreibung der Verwendung, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen.
Dem Vorstehenden folgend wird die Verwendung einer Sensoranordnung wie vorstehend beschrieben zur Detektion einer Messung eines elektrischen Felds, insbesondere einer DC-E-Feld Messung und/oder einer AC-E-Feld-Messung beschrieben, also zur Detektion einer reinen DC-E-Feld Messung, einer reinen AC-E-Feld-Messung oder einer AC-E-Feld-Messung mit überlagertem DC-E-Feld.
Unter einer DC-E-Feld Messung wird dabei die Messung eines durch eine Gleichspannung erzeugten elektrischen Felds verstanden, wohingegen unter einer AC-E-Feld-Messung die Messung eines durch eine Wechselspannung erzeugten elektrischen Felds verstanden werden soll.
Der Vorteil der vorbeschriebenen Sensoranordnung kann dabei insbesondere darin gesehen werden, dass eine effektive Abschirmung des Sensors gegen äußere Einflüsse, wie etwa gegen mechanische Einflüsse oder gegen das Einwirken von Verschmutzungen, gegeben ist. Dadurch kann ein langzeitstabiler Betrieb in Kombination mit einem exakten Messergebnis erlaubt werden.
Darüber hinaus können die Vorteile insbesondere bei einer DC-E-Feld-Messung besonders ausgeprägt sein, da insbesondere bei einer derartigen Messung oftmals eine direkte Abdeckung des Sensors ein Gegenfeld erzeugt, das die Messung verfälschen oder sogar ganz verhindern beziehungsweise unbrauchbar machen kann. Dadurch, dass es möglich ist, auf eine derartige Abdeckung zu verzichten, die unmittelbar am Sensor angeordnet ist, kann die Verwendung einer vorbeschriebenen Sensoranordnung insbesondere für eine DC-E-Feld-Messung besonders vorteilhaft sein, da kein durch die Abdeckung bedingtes Gegenfeld erzeugt wird. Ferner kann der Sensor einfach im Aufbau und dadurch kostengünstig sein.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale der Verwendung wird hiermit auf die Beschreibung der Sensoranordnung, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren und den zugehörigen Beispielen. In den Figuren zeigen:

1 schematisch eine Schnittansicht einer Ausgestaltung einer Sensoranordnung von der Seite;
2 schematisch ein Diagramm darstellend der Vorteil einer Erfindungsgemäßen Sensoranordnung gegenüber einer unmittelbar abgedeckten Sensoranordnung.

In der 1 ist schematisch eine Schnittansicht einer Ausgestaltung einer Sensoranordnung 10 von der Seite gezeigt.
Die Sensoranordnung 10 dient dem Detektieren eines durch einen elektrischen Leiter 12 hervorgerufenen elektrischen Felds 14.
Die Sensoranordnung 10 umfasst hierzu ein Gehäuse 16, in dem eine mit dem elektrischen Leiter 12 elektrisch leitend verbundene Messelektrode 18 angeordnet ist. Insbesondere kann das Gehäuse 16 luftdicht ausgestaltet sein, um vorzugsweise auch bei einem in dem Volumen 32 im Gehäuse 16 herrschenden Überdruck oder Unterdruck einen Gasaustausch mit der das Gehäuse 16 umgebenden Atmosphäre zu verhindern. Ferner kann das Gehäuse 16 zumindest teilweise mit elektrisch leitfähigen, etwa metallischen, Schirmbereichen versehen sein, die nicht im Detail gezeigt sind.
1 zeigt, dass die Messelektrode 18 mittels einer Schraube 20 als Befestigungsmittel an dem Leiter 12 befestigt ist, so dass die Messelektrode 18 auf einem dem Leiter 12 entsprechenden Potential liegt. Es ist ferner gezeigt, dass die Messelektrode 18 einen Elektrodenteil 22 aufweist, der eine flächige Ausdehnung aufweist. Dadurch kann das hervorgerufene elektrische Feld 14 homogenisiert werden, was besonders vorteilhafte Messbedingungen erlauben kann.
Weiterhin ist gezeigt, dass an der Messelektrode 18 beziehungsweise an dem Elektrodenteil 22 eine elektrisch isolierende Schicht 24 vorgesehen ist, die in Richtung eines Sensors 26 an der Messelektrode 18 angeordnet ist. Die elektrisch isolierende Schicht 24 ist beispielsweise als Folie aus Polyimid ausgestaltet.
Die gezeigte elektrisch isolierende Schicht 24 ermöglicht insbesondere einen sicheren, potentialgetrennten Aufbau, wodurch wiederum etwa Spannungsüberschläge zwischen Messelektrode 18 und Sensor 26 verhindert werden können.
Der Sensor 26 ist ebenfalls in dem Gehäuse 16 angeordnet. Durch den Sensor 26 ist das von der Messelektrode ausgehende elektrische Feld 14 detektierbar. Als solches kann der Sensor 26 beispielsweise auf dem Prinzip der Feldmühle basieren, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Insbesondere ist der Sensor 26 jedoch als MEMS-Sensor ausgebildet.
Dadurch, dass der Sensor 26 in dem Gehäuse 26 angeordnet ist, kann es möglich sein, auf eine unmittelbar an dem Sensor 26 vorgesehene Abdeckung zu verzichten. In anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass der Sensor 26 eine Messanordnung aufweist, die zu der bezüglich des Sensors 26 äußeren Atmosphäre, also insbesondere dem Volumen 32 innerhalb des Gehäuses 16, freiliegt.
Es ist ferner vorgesehen, dass der Sensor 26 mit einer auf einem Bezugspotential liegenden Elektrode 28, die als Referenzelektrode dient elektrisch verbunden ist. In der in 1 gezeigten Ausgestaltung ist die auf einem Bezugspotential liegende Elektrode 28 eine geerdete Elektrode 28.
Es ist ferner gezeigt, dass der Sensor 26 von außerhalb des Gehäuses 16 für eine Datenkommunikation kontaktierbar. Hierzu ist eine Datenverbindung 30 vorgesehen, die als Datenschnittstelle dienen kann.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass in dem Gehäuse 16 ferner eine nicht im Detail gezeigte Verarbeitungselektronik angeordnet ist, die mit dem Sensor 26 für eine Datenkommunikation verbunden ist.
Durch die mögliche Integration einer Verarbeitungselektronik beziehungsweise Messelektronik in das Gehäuse 16 kann auch die Verarbeitungselektronik sicher und verlässlich gegen äußere Einflüsse geschützt werden. Beispiele für eine derartige Verarbeitungselektronik umfassen beispielsweise eine etwa analoge MEMS-Sensor-Signalaufbereitung, eine Abtastung, eine Digitalisierung, und/oder eine gegebenenfalls Microcontroller-gestützte Auswertung spezieller AC/DC-Messgrößen.
In 2 ist der positive Effekt der vorliegenden Erfindung gezeigt.
In der 2 ist hierzu ein Diagramm gezeigt, bei dem auf der X-Achse die Zeit in Sekunden aufgetragen ist und bei dem auf der Y-Achse sie Spannung in Millivolt aufgeführt ist.
Dabei zeigen die Kurven A₁ und A₂ jeweils Kurven für einen MEMS-Sensor 28, der mit einer Glasabdeckung versehen ist und zeigen die Kurven B₁ und B₂ Kurven für einen MEMS-Sensor 28 ohne eine derartige Abdeckung, jeweils bei einer Messung eines E-Felds hervorgerufen durch eine Gleichspannung.
Die Kurven A₁ und B₁ entsprechen dabei jeweils einem Gegenfeld, das insbesondere durch die Abdeckung hervorgerufen wird und die Kurven A₂ und B₂ entsprechen dabei jeweils dem detektierten Feld.
Es ist deutlich zu erkennen, dass bei einem MEMS-Sensor mit Abdeckung der Messstrukturen durch die Abdeckung ein signifikantes Gegenfeld erzeugt wird, das auch nach Ausschalten der an dem Leiter 14 anliegenden Spannung zwar abklingt aber noch vorhanden ist. Dieses Gegenfeld fehlt bei einem MEMS-Sensor 26 ohne Abdeckung völlig. Die Zeitachse hinsichtlich der Kurven A₁ und B₁ bezieht sich somit auf einen Zeitverlauf nach einem Ausschalten der Spannung.
Hinsichtlich der Kurven A₂ und B₂ ist zu erkennen, dass nach einem Einschalten der Spannung in dem Leiter 14 und bei konstanten Bedingungen das Messsignal bei einem MEMS-Sensor mit Abdeckung abklingt, eine Messung somit verfälscht beziehungsweise unmöglich wird. Demgegenüber bleibt das Messsignal bei einem MEMS-Sensor ohne Abdeckung konstant, was verlässliche Messbedingungen erlaubt. Die Zeitachse hinsichtlich der Kurven A₂ und B₂ bezieht sich somit auf einen Zeitverlauf nach einem Ausschalten der Spannung.
Eine hier beschriebene Sensoranordnung 10 ermöglicht somit deutliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.
Durch das Vorsehen des Sensors 26 und der Messelektrode 18 innerhalb des Gehäuses 16 kann ein vor Umwelteinflüssen, wie etwa vor Verschmutzungen, geschützter Betrieb des Sensors 26 möglich sein. Dies gilt auch für offene beziehungsweise nicht selbst geschützte Sensoren 26, insbesondere MEMS-Sensoren. Dies kann dabei möglich sein unter optimierten Kostenbedingungen.
Denn der Einsatz von einfachen und kostengünstigen MEMS-Sensoren mit eigenen Abdeckungen, wie etwa Glasabdeckungen, ist nicht notwendig. Dadurch entfällt auch bei der Herstellung der Sensoren 26 ein aufwendiger und teilweise herstellungskritischer Abdeck-Prozess bei der Fertigung der MEMS-Chips, wodurch somit die Herstellung der Sensoren 26 vereinfacht werden kann.
Durch die Integration der Messelektrode 18, die ein elektrisches Feld 14 erzeugt, und des Sensors 26 in einem Gehäuse 16 kann ferner eine definierte Form des elektrischen Felds 14 direkt proportional zur Spannung ermöglicht werden. Dies erlaubt wiederum eine Sensorkalibrierung in der Fertigung. Eine Einbau-Justage des Sensors 26 etwa an der Endanwendung kann so entfallen, was die Anwendbarkeit des Sensors 26 weiter verbessern kann.
Ferner kann durch einfache konstruktive Variationen, wie beispielweise durch eine anwendungsspezifische Anpassung beziehungsweise Änderung des Abstands zwischen Messelektrode 18 und Sensor 26 eine einfache Anpassung an verschiedene Anwendungsbereiche beziehungsweise Spannungsbereiche ermöglicht werden.
Durch die Vermeidung der durch die Sensor-Abdeckung bedingten Mess-/E-Feld Beeinflussung können so besonders vorteilhafte oder auch insbesondere grundsätzliche Voraussetzungen für eine hinreichend genaue DC-E-Feld-/Spanungsmessung ermöglicht werden, wie dies vorstehend mit Bezug auf 2 ausführlich und im Detail gezeigt ist.

Claims

Sensoranordnung (10) zum Detektieren eines durch einen elektrischen Leiter (12) hervorgerufenen elektrischen Felds (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (10) ein Gehäuse (16) aufweist, in dem eine mit dem elektrischen Leiter (12) elektrisch leitend verbindbare Messelektrode (18) angeordnet ist, wobei die Sensoranordnung (10) ferner einen Sensor (26) umfasst, mit dem ein von der Messelektrode (18) ausgehendes elektrisches Feld (14) detektierbar ist, wobei der Sensor (26) mit einer auf einem Bezugspotential liegenden Elektrode (28) elektrisch verbindbar ist, wobei der Sensor (26) in dem Gehäuse (16) angeordnet ist, und wobei der Sensor (269 ferner von außerhalb des Gehäuses (16) für eine Datenkommunikation kontaktierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (18) mittels einer Schraube (20) als Befestigungsmittel an dem Leiter (12) befestigbar ist, so dass die Messelektrode (18) auf einem dem Leiter (12) entsprechenden Potential liegt wobei die Messelektrode (18) einen Elektrodenteil (22) mit einer flächigen Ausdehnung aufweist und wobei an dem Elektrodenteil (22) eine elektrisch isolierende Schicht (24) vorgesehen ist, die in Richtung eines Sensors (26) an der Messelektrode (18) angeordnet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (26) als MEMS-Sensor ausgestaltet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (26) eine Messanordnung aufweist, die zu der bezüglich des Sensors (26) äußeren Atmosphäre freiliegt.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (16) luftdicht ausgestaltet ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (16) zumindest teilweise mit elektrisch leitfähigen Schirmbereichen versehen ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (16) ferner eine Verarbeitungselektronik angeordnet ist, die mit dem Sensor (26) für eine Datenkommunikation verbunden ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einem Bezugspotential liegende Elektrode (28) eine geerdete Elektrode (28) ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (12) mit der Messelektrode (18) elektrisch leitend verbunden ist.
Verwendung einer Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Detektion eines elektrischen Felds (14), insbesondere eines durch eine Gleichspannung erzeugten elektrischen Felds (14).