DE10021714A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kapazitiven Messung eines elektrischen Leiterpotentials über eine mechanische Schwingung der Isolierung - Google Patents

Abstract

Bei der kapazitiven Messung eines elektrischen Leiterpotentials (U0) eines mit einer elektrischen Isolierung (51) versehenen elektrischen Leiters (50) wird eine Messelektrode (31) form- und kraftschlüssig auf die elektrische Isolierung (51) aufgebracht, so dass sich eine Messkapazität (30) bildet. Durch die Erzeugung einer mechanischen Schwingung in der elektrischen Isolierung (51) wird die Messkapazität (30) variiert, wodurch ein von dem Leiterpotential (U0) abhängiges Messsignal (I1) erfasst werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kapazitiven Messung eines auf eine Bezugsmasse bezogenen elektrischen Leiterpotentials eines mit einer elektrischen Isolierung versehenen elektrischen Leiters, wobei zwischen dem elektrischen Leiter und einer Messelektrode eine Mess­ kapazität gebildet wird.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind grund­ sätzlich allgemein bekannt.

Aus der DE 41 34 695 A1 sowie der US 5,293,113 ist eine Methode zur Messung eines elektrischen Wechselpotentials ohne einen direkten galvanischen Kontakt zu dem Leiter, dessen Leiterpotential gemessen werden soll, bekannt. Dazu wird eine flächige Messelektrode an die elektrische Isolierung angelegt und das zu messende Wechselpotential des elektrischen Leiters kapazitiv ausgekoppelt. Die offenbarte Methode eignet sich jedoch nur für ein Wechselpotential. Ein Gleichpotential lässt sich mit dieser Methode nicht ermitteln.

Andere Verfahren und Vorrichtungen zur Messung eines ins­ besondere auch sehr hohen elektrischen Potentials oder einer anderen elektrischen Messgröße gehen aus der WO 94/29733 A1 und der DE 44 13 912 A1 hervor. Die vorgestellten Verfahren arbeiten jeweils ohne direkten galvanischen Kontakt zu dem elektrischen Leiter, dessen elektrisches Leiterpotential oder andere elektrische Messgröße zu bestimmen ist.

Weitere Hinweise hinsichtlich kontaktloser Messverfahren und -vorrichtungen ergeben sich aus dem Buch "Einführung in die Messtechnik" von H. Hart, VEB-Verlag Technik, Berlin 1978, siehe insbesondere Seite 238, sowie dem Buch "Taschenbuch Elektrotechnik Bd. 1", von E. Philippow (Herausgeber), 3. Auflage, Carl Hanser Verlag München und Wien, Seite 624.

Bei dem mit der WO 94/29733 A1 offenbarten Verfahren zur kontaktlosen Potentialmessung werden zwei Messelektroden in die Nähe des elektrischen Leiters gebracht und dann in mecha­ nische Schwingungen versetzt. Dadurch wird in den beiden Messelektroden ein Messsignal influenziert, aus dem das unbekannte elektrische Leiterpotential des elektrischen Leiters ermittelt werden kann. Das Verfahren eignet sich auch für die Erfassung eines elektrischen Gleichpotentials.

Das influenzierte Messsignal hängt bei dem in der WO 94/29733 A1 beschriebenen Verfahren allerdings unter anderem von der Verteilung des elektrischen Feldes in der Umgebung des elektrischen Leiters ab. Für eine exakte und reproduzierbare Ermittlung des elektrischen Leiterpotentials ist es deshalb erforderlich, dass die Feldverteilung vorzugs­ weise nur durch das zu messende elektrische Leiterpotential und insbesondere nicht zusätzlich durch unbekannte und sich ändernde Fremdeinflüsse bestimmt ist. Um dies zu gewährlei­ sten, muss die ganze Messvorrichtung gegebenenfalls in einer Schirmhülle, die eine exakte elektrische Feldverteilung definiert, angeordnet werden.

Außerdem kann eine auf der elektrischen Isolierung des Lei­ ters vorhandene Schmutzschicht (z. B. Ölfilm oder Staubbelag) zu einer starken Veränderung der Feldverteilung und damit zumindest zu einem höheren Messfehler führen. Je nach Leit­ fähigkeit der Schmutzschicht kann das elektrische Feld im Außenbereich des elektrischen Leiters sogar praktisch kom­ plett verschwinden, wenn nämlich eine leitfähige Verbindung über die Schmutzschicht und z. B. eine metallische Kabel­ halterung zu einem Massepotential besteht. Das durch das unbekannte Leiterpotential hervorgerufene elektrische Feld ist dann fast vollständig auf die elektrische Isolierung des Leiters beschränkt. Eine Messung des elektrischen Leiter­ potentials nach dem in der WO 94/29733 A1 beschriebenen Ver­ fahren kann damit im schlimmsten Fall sogar komplett unmög­ lich werden.

Es besteht ein Bedarf an einem einfachen Verfahren und einer einfachen Vorrichtung zur zuverlässigen Bestimmung eines elektrischen Leiterpotentials mit der Vorgabe, dass eine gal­ vanische Kontaktierung des elektrischen Leiters nicht not­ wendig sein soll. Das Verfahren und die Vorrichtung sollen bei der Bestimmung eines elektrischen Potentials eines elek­ trischen Leiters, der Bestandteil einer mehr oder weniger komplexen Installation, beispielsweise einer Installation für eine elektrische Steuerung, ist, eingesetzt werden können. Ein möglicher Anwendungsfall ist z. B. eine Revision einer elektrischen Installation in einem Gebäude oder einer indu­ striellen Anlage. Dabei beläuft sich ein zu bestimmendes elektrisches Leiterpotential üblicherweise auf wenige Volt und ist entweder zeitlich unveränderlich oder mit geringer Frequenz veränderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, die eine einfache und zuverlässige Messung eines elektrischen Leiter­ potentials ermöglichen. Der elektrische Leiter soll dabei nicht galvanisch kontaktiert werden. Verfahren und Vorrich­ tung sollen sich außerdem zur Erfassung eines vorzugsweise zeitlich unveränderlichen oder nur mit geringer Frequenz (wenige Hz) veränderlichen elektrischen Leiterpotentials eignen. Die prinzipiell Messbaren Potentialwerte sollen vom Niederspannungsbereich (zwischen 5 V und 24 V entsprechend geläufigen Standards) bis in den Hochspannungsbereich (größer einige 10 kV) reichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur kapazitiven Messung eines auf eine Bezugsmasse bezogenen elektrischen Leiter­ potentials eines mit einer elektrischen Isolierung versehenen elektrischen Leiters handelt es sich um ein Verfahren, bei welchem

• - mindestens eine auf die elektrische Isolierung unter Aus­ bildung eines vorgegebenen Anpressdrucks form- und kraft­ schlüssig aufgebrachte Messelektrode vorgesehen wird, so dass zwischen dem elektrischen Leiter und der Messelek­ trode eine Messkapazität gebildet ist,
• - die elektrische Isolierung in eine mechanische Schwingung bei einer vorgegebenen Hilfsfrequenz versetzt wird, so dass die Messkapazität variiert wird,
• - ein von der variierenden Messkapazität und von dem elek­ trischen Leiterpotential abhängiges Messsignal ermittelt und ausgewertet wird.

Zur Lösung der Aufgabe wird weiterhin eine Vorrichtung ent­ sprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10 angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur kapazitiven Messung eines auf eine Bezugsmasse bezogenen elektrischen Leiter­ potentials eines mit einer elektrischen Isolierung versehenen elektrischen Leiters umfasst:

• - mindestens eine Messelektrode, die unter einem vorgegebe­ nem Anpressdruck form- und kraftschlüssig auf die elek­ trische Isolierung aufgebracht ist,
• - eine zwischen dem elektrischen Leiter und der Messelek­ trode gebildete Messkapazität,
• - Oszillationsmittel zur Erzeugung einer mechanischen Schwingung bei einer vorgegebenen Hilfsfrequenz in der elektrischen Isolierung, wobei die mechanische Schwingung eine Variation der Messkapazität bewirkt,
• - eine Auswerteeinheit zur Bestimmung und Auswertung eines von der variierenden Messkapazität und von dem elektri­ schen Leiterpotential abhängigen Messsignals.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die beim Stand der Technik auftretenden Schwierigkeiten bei der Er­ fassung der im Außenbereich der dem elektrischen Leiter zu­ geordneten elektrischen Isolierung ausbildenden elektrischen Feldverteilung umgangen werden können, indem die mindestens eine Messelektrode direkt, d. h. insbesondere auch form- und kraftschlüssig, auf die elektrische Isolierung aufgesetzt ist. Der hierbei vorgesehene Anpressdruck soll dann gerade verhindern, dass ein Luftspalt zwischen der elektrischen Isolierung und der Messelektrode entsteht und somit ähnliche Schwierigkeiten wie beim Stand der Technik auftreten können. Der Anpressdruck kann dabei z. B. einen Wert zwischen 0 bar und 40 bar annehmen. Er wird insbesondere so gewählt, dass die form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen Messelek­ trode und elektrischer Isolierung stets gewahrt bleibt. Der Anpressdruck und die elektrische Isolierung bestimmen dann einen Abstand zwischen dem elektrische Leiter und der Mess­ elektrode.

Das bloße Anbringen einer Messelektrode an der elektrischen Isolierung ermöglicht nun jedoch noch nicht die Erfassung eines elektrischen Gleichpotentials oder eines nur sehr lang­ sam veränderlichen elektrischen Leiterpotentials des elek­ trischen Leiters. Deshalb wird zusätzlich die sich zwischen dem elektrischen Leiter und der mindestens einen Messelek­ trode ausbildende Messkapazität mit der Hilfsfrequenz variiert, um ein geeignetes Messsignal erfassen zu können. Die Variation der Messkapazität erfolgt über eine in der elektrischen Isolierung erzeugte mechanische Schwingung. Die mechanische Schwingung kann dann zum einen insbesondere in dem Bereich, in dem die Messelektrode aufgesetzt ist, eine zyklische Variation des Abstands zwischen der Messelektrode und dem elektrischen Leiter bewirken. Zum anderen wird das Material der elektrischen Isolierung durch die mechanische Schwingung in seiner Dichte verändert, so dass auch eine Dielektrizitätszahl, insbesondere die relative Dielektri­ zitätskonstante, variiert. Beide Effekte, Abstandsvariation und Dichtevariation, können zur Variation der Messkapazität beitragen.

Die theoretische untere Grenze für die Hilfsfrequenz, mit der die Messkapazitätsvariation erfolgt, ist durch den doppelten Wert der höchsten zu erfassenden Frequenzkomponente des un­ bekannten Leiterpotentials bestimmt. Da das elektrische Lei­ terpotential jedoch vorzugsweise nur sehr langsam veränder­ lich oder insbesondere auch zeitlich konstant ist, steht damit ein sehr großer Frequenzbereich für die Auswahl der Hilfsfrequenz zur Verfügung.

Zur Verdeutlichung des Prinzips, das bei dem Verfahren und der Vorrichtung zum Einsatz kommt, wird die Funktionsweise im Folgenden anhand der hier relevanten physikalischen Gleichun­ gen näher erläutert. Die elektrische Ladung, die sich auf der durch den elektrischen Leiter und die Messelektrode gebilde­ ten Messkapazität ausbildet, ergibt sich zu

Q(t) = C(t).U(t) (1)

wobei Q(t) die zeitlich veränderliche Ladung der Messkapazi­ tät C(t) und U(t) das unbekannte elektrische Leiterpotential sowie t die Zeit bezeichnen. Aufgrund einer zeitlich variie­ renden Kapazitätsladung Q(t) fließt dann ein dielektrischer Verschiebungsstrom I(t), der sich als totales Differential der Gleichung (1) zu

ergibt. Der erste Summand von Gleichung (2) entspricht der allgemein bekannten Kondensatorgleichung. Er beschreibt hier die rein kapazitive Auskopplung. Dieser Term verschwindet jedoch, wenn das unbekannte elektrische Leiterpotential U(t), wie hier aus Gründen der einfacheren Darstellung einmal an­ genommen, zeitlich unveränderlich ist und den konstanten Wert U0 annimmt. Für die Erfassung des unbekannten elektrischen Leiterpotentials U0 ist deshalb der zweite Summand von Glei­ chung (2) maßgeblich. Damit dieser nicht ebenfalls zu Null wird, ist eine zeitlich veränderliche Messkapazität C(t) er­ forderlich. Dies wird wie vorstehend beschrieben durch die mechanische Schwingung der elektrischen Isolierung erreicht. Bei einer mechanischen Schwingung der Hilfsfrequenz f1 ergibt sich dann eine veränderliche Messkapazität C(t), die in erster Näherung durch eine einfache Kapazitätsmodulation gemäß

C(t) = CO + ΔC.cos(2π.f1.t) (3)

beschrieben wird. Dabei bezeichnen CO einen Kapazitätsmittel­ wert und ΔC einen Kapazitätshub. Aus den Gleichungen (2) und (3) sowie der Vorgabe eines praktisch konstanten Leiterpoten­ tials U(t) = U0 ergibt sich dann der dielektrische Verschie­ bungsstrom I(t) zu

I(t) = -2π.f1.ΔC.U0.sin(2π.f1.t) (4),

wobei

= 2π.f1.ΔC.U0 (5),

die Amplitude dieses dielektrischen Verschiebungsstroms I(t) darstellt. Aus den Gleichungen (4) und (5) lässt sich dann auf einfache Weise eine Messempfindlichkeit |/U0| ermitteln

|/U0| = 2π.f1.ΔC (6).

Man erkennt, dass die Messempfindlichkeit sowohl von dem Kapazitätshub ΔC als auch von der Hilfsfrequenz f1 abhängt. Die Messempfindlichkeit lässt sich damit über diese beiden Parameter erhöhen. Die maximal zulässige Amplitude der mecha­ nischen Schwingung, die letztendlich auch den Kapazitätshub ΔC festlegt, sowie die maximal zulässige Hilfsfrequenz f1 werden durch die elastischen Eigenschaften der elektrischen Isolierung, insbesondere durch die mechanische Dauerfestig­ keit, bestimmt.

Zur Bestimmung des Messwerts enthält die Auswerteeinheit ins­ besondere Mittel, um die gemäß den Gleichungen (4) und (5) relevante Amplitudeninformation bei der Hilfsfrequenz f1 zu extrahieren. Dies kann z. B. über einen Gleichrichter und einen Tiefpass erfolgen.

Insgesamt stellen das Verfahren und die Vorrichtung eine sehr einfache Methode zur Erfassung eines unbekannten elektrischen Leiterpotentials dar, das insbesondere auch zeitlich nur sehr langsam veränderlich oder sogar zeitlich konstant sein kann. Eine mechanische Schwingung der elektrischen Isolierung lässt sich nämlich ohne größeren technischen Aufwand realisieren. Da sich auch die Empfindlichkeit in weiten Grenzen einstellen lässt, bietet das Verfahren außerdem die Möglichkeit einer sehr genauen Messwerterfassung. Durch das unmittelbare Auf­ liegen der Messelektrode auf der elektrischen Isolierung wird die Messung zudem auch nicht durch eine ggf. vorhandene Schmutzschicht beeinträchtigt.

Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen eine nichtgal­ vanische Erfassung eines elektrischen Potentials unabhängig davon, welchen Wert und welche Frequenz das unbekannte Poten­ tial annimmt. Der Potentialwert kann dabei auch im Hochspan­ nungsbereich, also in einem Bereich größer als einige 10 kV liegen. Besonders gut eignen sich das Verfahren und die Vor­ richtung jedoch für ein zu messendes elektrisches Potential, dessen Wert im Niederspannungsbereich liegt und das nur lang­ sam oder gar nicht veränderlich ist.

Besondere Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung ergeben sich aus den jeweils abhängigen Ansprüchen.

Besonders einfach lässt sich die mechanische Schwingung der elektrischen Isolierung durch eine elektroakustische Wandler­ einheit erzeugen. Die elektroakustische Wandlereinheit kann dabei unmittelbar oder auch über die Messelektrode akustisch mit der elektrischen Isolierung gekoppelt sein. Bei einer unmittelbaren Kopplung der elektroakustischen Wandlereinheit mit der elektrischen Isolierung kann die Messelektrode auch starr eingespannt sein, so dass sie keine mechanische Bewe­ gung ausführt. Die Kapazitätsvariation wird dann ausschließ­ lich über die mit der mechanischen Schwingung einhergehenden Dichtevariation in der elektrischen Isolierung hervorgerufen. Bei einer akustischen Kopplung über die Messelektrode bewegt sich die Messelektrode dagegen auch mechanisch, so dass die Kapazitätsvariation sowohl durch die Dichteänderung als auch durch die Abstandsvariation bewirkt wird.

Gegebenenfalls kann die elektroakustische Wandlereinheit zu­ sätzlich auch ein zwischengeschaltetes akustisches Koppel­ medium enthalten. Dieses dient dann insbesondere zur elek­ trischen Isolierung der Messelektrode von einer Elektrode der elektroakustischen Wandlereinheit. Das akustische Koppel­ medium ist vorzugsweise mindestens so schallhart wie die elektrische Isolierung des elektrischen Leiters.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die elektroaku­ stische Wandlereinheit einen piezoelektrischen Resonator enthält. Dieser piezoelektrische Resonator setzt auf einfache Weise ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal um. Üblicherweise ist der piezoelektrische Resonator reziprok, d. h. die Umsetzung eines akustischen in ein elektrisches Signal ist ebenfalls möglich. Ein solcher piezoelektrischer Resonator wird derzeit auf verschiedenen Anwendungsfeldern wie z. B. in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung oder auch in der medizinischen Diagnostik eingesetzt.

Die elektroakustische Wandlereinheit kann ebenso einen magnetostriktiven Wandler enthalten, bei dem ein Stromfluss in eine korrespondierende mechanische Auslenkung umgesetzt wird. Ein magnetostriktiver Wandler kann mit sehr hoher Genauigkeit hergestellt werden. Auch ein solcher magneto­ striktiver Wandler ist reziprok, so dass die Umsetzung einer mechanischen Auslenkung in ein Stromsignal ebenfalls möglich ist.

Das dem Verfahren und der Vorrichtung zugrunde liegende Prinzip ist bezüglich der anregenden und der auszuwertenden Größen reziprok, d. h. dass Ursache und Wirkung miteinander vertauscht werden können. Die Kapazitätsvariation kann also akustisch oder auch elektrisch erfolgen. Bei einer akustisch angeregten Kapazitätsvariation wird dann insbesondere ein elektrisches Messsignal, wie z. B. der vorstehend genannte di­ elektrische Verschiebungsstrom, erfasst und ausgewertet. Bei einer elektrischen Anregung wird dagegen ein durch die mecha­ nische Schwingung hervorgerufenes akustisches Signal erfasst und ausgewertet. Je nach gewählter Anregungsart und auszu­ wertendem Messsignal gibt es folglich für das Verfahren und die Vorrichtung auch entsprechende bevorzugte Ausführungs­ formen.

Eine günstige Ausführungsform für die akustische Anregung zeichnet sich durch eine Variation des Abstand zwischen dem elektrische Leiter und der Messelektrode aus. Die periodische Abstandsvariation führt dann zu der mechanischen Schwingung in der elektrischen Isolierung. Da bei dieser Anregung sowohl die Abstandsvariation der Messelektrode als auch die Dichte­ variation der elektrischen Isolierung zum Messeffekt beitra­ gen, ergibt sich eine sehr hohe Messempfindlichkeit.

Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die mecha­ nische Schwingung durch Ausüben von dynamischem mechanischem Druck auf die elektrische Isolierung erfolgt. Der Druck kann dabei sowohl im Bereich der Messelektrode als auch an einer nicht durch eine Messelektrode bedeckten Stelle der elektri­ schen Isolierung ausgeübt werden. Der mit der Hilfsfrequenz zyklisch variierende Druck wird durch die elektroakustische Wandlereinheit erzeugt. Diese wird bevorzugt über eine erste Spannungsquelle, die eine Hilfsspannung mit der Hilfsfrequenz generiert, angeregt und veranlasst dann infolge der akusti­ schen Kopplung die elektrischen Isolierung zu einer mechani­ schen Schwingung bei der Hilfsfrequenz. Die Messelektrode kann sich dabei entweder mit bewegen oder starr in ihrer Ausgangsposition bleiben.

Bevorzugt wird bei einer akustisch angeregten Messkapazitäts­ variation als Messgröße ein dielektrischer Verschiebungsstrom von einer Strommesseinheit erfasst und dann ausgewertet. Der dielektrische Verschiebungsstrom ist vom zu messenden elek­ trischen Leiterpotential, der Hilfsfrequenz und der Kapazi­ tätsvariation abhängig. Bei Kenntnis der letzten beiden Para­ meter lässt sich damit auf einfache Weise das gesuchte Lei­ terpotential ermitteln.

Die akustische Anregung bietet insbesondere dann Vorteile, wenn eine Einkopplung eines elektrischen Signals auf den elektrischen Leiter vermieden werden soll. Da die elektrische Isolierung bei der akustischen Anregung mechanisch und nicht elektrisch in Schwingungen versetzt wird, ist somit auch eine Einkopplung von unerwünschten Störsignalen auf den elektri­ schen Leiter weitgehend ausgeschlossen.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Kapazitätsvaria­ tion elektrisch angeregt. Dazu wird eine von einer ersten Spannungsquelle erzeugte mit der Hilfsfrequenz variierende Hilfsspannung an die Messelektrode angelegt. Entsprechend der Reziprozität wird dann die elektrische Isolierung zu einer mechanischen Schwingung bei der Hilfsfrequenz angeregt. Diese Schwingung ist dabei abhängig von dem zu bestimmenden elek­ trischen Leiterpotential.

Vorzugsweise wird ein mit der mechanischen Schwingung der elektrischen Isolierung einhergehendes akustisches Signal durch eine elektroakustische Wandlereinheit aufgenommen und in ein proportionales elektrisches Signal umgewandelt, das in der Auswerteeinheit ausgewertet wird. Das detektierte akusti­ sche Signal weist ebenso wie das daraus abgeleitete propor­ tionale elektrische Signal eine Abhängigkeit von der variie­ renden Messkapazität und dem unbekannten Leiterpotential auf.

Die elektrisch angeregte Kapazitätsvariation und die Erfas­ sung und Auswertung eines akustischen Signals bieten insbe­ sondere dann Vorteile, wenn an dem elektrischen Leiter neben dem zu erfassenden elektrischen Leiterpotential auch ein weiteres Signal mit einem Frequenzanteil in der Nähe der Hilfsfrequenz ansteht. Dies könnte ein Datensignal, z. B. ein Telefonsignal, sein, dem der elektrische Leiter als Über­ tragungsmedium dient. Dank der akustischen Auswertung kann dieses weitere Signal nicht in die Auswerteeinheit über­ koppeln und dort die Bestimmung des Leiterpotentials beein­ trächtigen.

Die Messempfindlichkeit hängt sowohl von der Variation der Messkapazität, insbesondere vom Kapazitätshub der Kapazitäts­ modulation, und auch der Hilfsfrequenz ab. Die Hilfsfrequenz ist bekannt und steht in der Auswerteeinheit für die Mess­ wertermittlung zur Verfügung. Der Kapazitätshub lässt sich unter Berücksichtigung der durch die mechanische Schwingung hervorgerufenen Geometrie- und/oder Dichteänderung prinzi­ piell aus der geometrischen Anordnung der Messelektrode, des elektrischen Leiters und der elektrischen Isolierung sowie aus den dielektrischen Eigenschaften der elektrischen Isolie­ rung ermitteln. Je nach geometrischer Anordnung können für diese Ermittlung die bekannten Formeln für einen Platten- oder Zylinderkondensator herangezogen werden.

Es gibt jedoch auch eine vorteilhafte Variante, bei der die Messempfindlichkeit über eine an die Messelektrode angelegte, mit einer Kalibrierfrequenz veränderliche Kalibrierspannung ermittelt wird. Die Kalibrierfrequenz unterscheidet sich dabei sowohl von allen relevanten Frequenzanteilen des zu messenden elektrischen Leiterpotentials als auch von der Hilfsfrequenz. Durch eine Frequenztrennung von Hilfs- und Kalibrierfrequenz in der Auswerteeinheit lässt sich dann die zum jeweiligen Zeitpunkt aktuelle Messempfindlichkeit über einen durch die Kalibrierfrequenz bestimmten Frequenzanteil des Messsignals ermitteln und zur Messwertbestimmung für das unbekannte elektrische Leiterpotential verwenden. Die Kali­ brierung kann sowohl parallel zum eigentlichen Messprozess als auch vorher durchgeführt werden. Insbesondere bei der parallel zum Messprozess durchgeführten Kalibrierung steht zu jedem Zeitpunkt die aktuelle Messempfindlichkeit zur Verfügung, so dass die Erfassung des elektrischen Leiter­ potentials mit sehr hoher Genauigkeit möglich ist. Ein Stör­ größeneinfluß, beispielsweise eine Temperaturabhängigkeit, kann mit Hilfe der Kalibrierung eliminiert werden.

Vorteilhaft ist auch eine weitere Ausgestaltung, bei der eine sehr genaue Ermittlung des elektrischen Leiterpotentials mög­ lich ist, auch ohne dass die Messempfindlichkeit durch vor­ herige Berechnung oder durch eine zusätzliche Kalibrierung ermittelt wird. Bei dieser Ausgestaltung wird ein Elektro­ denpotential der Messelektrode durch eine Regelschaltung in der Auswerteeinheit auf das unbekannte elektrische Leiter­ potential geregelt. Als Regelkriterium der Regelschaltung dient die vorzeichenbehaftete Amplitude des gemessenen di­ elektrischen Verschiebungsstroms.

Damit liegt das unbekannte Leiterpotential jedoch auch im für eine galvanische Kontaktierung zugänglichen Außenbereich des elektrischen Leiters vor. Ein Anschluss an ein einfaches Spannungsmessgerät zur Bestimmung des elektrischen Leiter­ potentials ist dann problemlos möglich.

Diese Regelschaltung bietet insbesondere auch im Hinblick auf eine Minimierung ggf. unerwünschter Störeinkopplungen auf den elektrischen Leiter Vorteile. Da kein gesondertes Kalibrier­ signal benötigt wird, entfällt auch eine Störeinkopplung auf einer Kalibrierfrequenz. Außerdem verschwindet auch der di­ elektrische Verschiebungsstrom im eingeschwungenen Zustand praktisch vollständig, so dass auch an dieser Stelle eine Störeinkopplung zumindest stark reduziert wird. Zusätzlich wird auch eine z. B. alterungsbedingte Änderung der Mess­ empfindlichkeit durch die Regelschaltung automatisch aus­ geglichen.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die elektro­ akustische Wandlereinheit in einem für eine solche Einheit üblichen Frequenzbereich betrieben wird. Deshalb erstreckt sich ein günstiger Frequenzbereich für die Hilfsfrequenz zwischen 15 kHz und 2 MHz. Der in der elektroakustischen Wandlereinheit vorzugsweise eingesetzte piezoelektrische Resonator kann in diesem Frequenzbereich als gebräuchliche Standardkomponente ausgeführt werden. Günstig ist es außer­ dem, wenn die Hilfsfrequenz jenseits der Wahrnehmungsgrenze des menschlichen Gehörs liegt. Damit ergeben sich bei der Messung des elektrischen Leiterpotentials keine störenden Geräusche. Sollten es die gegebenen Umstände jedoch erfor­ dern, kann die Hilfsfrequenz prinzipiell auch außerhalb des genannten besonders günstigen Frequenzbereichs gewählt werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merk­ male sind schematisiert dargestellt. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Potentialmessung eines ringsum isolierten Leiters mit einer Messelektrode und einem rohrförmigen piezoelektrischen Resonator,

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Potentialmessung eines ringsum isolierten elektrischen Leiters mit zwei Messelektro­ den und einem über Hebelarme auf die Messelektroden wirkenden piezoelektrischen Resonator,

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Potentialmessung eines ringsum isolierten Leiters mit vier Messelektroden,

Fig. 4 eine Vorrichtung zur Potentialmessung eines über ein Leiterplattensubstrat isolierten streifenförmigen Leiters mit einer Messelektrode,

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung einer akustisch angeregten Vorrichtung zur Potentialmessung,

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung einer elektrisch angeregten Vorrichtung zur Potentialmessung,

Fig. 7 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Poten­ tialmessung mit Kalibrierung und

Fig. 8 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Poten­ tialmessung mit Regelung:

Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 bis 8 mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung eines unbekann­ ten elektrischen Leiterpotentials U0 eines elektrischen Lei­ ters 50 dargestellt. Der elektrische Leiter 50 ist drahtför­ mig und hat einen runden Querschnitt. Er ist mit einer elek­ trischen Isolierung 51 in Form einer den Draht komplett um­ schließenden Isolierhülle versehen. Die elektrische Isolie­ rung 51 besteht hier aus PVC. Sie kann jedoch ebenso gut aus einem anderen geeigneten Isolationsmaterial, wie z. B. Teflon oder auch Polyethylen (PE), bestehen. Je nach Spannungs­ bereich, in dem der elektrische Leiter 50 eingesetzt wird, können auch die geometrischen Abmessungen des Leiters 50 und der elektrischen Isolierung 51 variieren. Bei einem Anwen­ dungsfall in dem Niederspannungsbereich (beispielsweise bis zu einigen 10 V) weisen der elektrische Leiter 50 und die elektrische Isolierung 51 geometrische Abmessungen im Milli­ meter-Bereich auf. Vorliegend hat der elektrische Leiter 50 einen Durchmesser von 0,5 mm und die elektrische Isolierung 51 einen Außendurchmesser von 1,1 mm.

Das zu messende elektrische Leiterpotential U0 besitzt eine Potentialfrequenz f0 oder es hat Frequenzkomponenten inner­ halb eines Potentialfrequenzbereichs. Die Potentialfrequenz f0 und auch die Frequenzkomponenten des Potentialfrequenz­ bereichs sind vorzugsweise im niederfrequenten Bereich, d. h. unterhalb von 100 Hz, angesiedelt. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 handelt es sich bei dem zu erfassenden elektrischen Leiterpotential U0 um eine Gleichgröße mit einer Potential­ frequenz f0 von 0 Hz. Es nimmt einen Wert zwischen 0 V und 24 V an.

Zur Erfassung dieses elektrischen Leiterpotentials U0 wird nun eine rohrförmige Messelektrode 31 außen auf die elektri­ sche Isolierung 51 aufgebracht. Zur leichteren Montage kann die rohrförmige Messelektrode 31 entweder geschlitzt sein oder auch aus zwei zusammensetzbaren Halbschalenelementen bestehen. Die Messelektrode 31 bildet mit dem elektrischen Leiter 50 eine Messkapazität 30, die in Fig. 1 mit gestri­ chelter Linie angedeutet ist. Der Wert dieser Messkapazität 30 wird durch Variation des Abstandes zwischen der Mess­ elektrode 31 und dem elektrischen Leiter 50 verändert. Dies geschieht durch eine elektroakustische Wandlereinheit 20, die im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 einen ebenfalls rohrför­ migen piezoelektrischen Resonator 21 enthält. Der piezoelek­ trische Resonator 21 kontrahiert sich periodisch bei Anlegen einer mit einer Hilfsfrequenz f1 variierenden Hilfsspannung U1, die von einer ersten Spannungsquelle 11 erzeugt wird. Dadurch wird Druck auf die Messelektrode 31 ausgeübt, so dass sie sich ebenfalls kontrahiert. Dies ist in Fig. 1 durch Pfeile 26 angedeutet. Der Abstand zwischen der Messelektrode 31 und dem elektrischen Leiter 50 variiert dann ebenfalls mit der Hilfsfrequenz f1, so dass sich in der elektrischen Iso­ lierung 51 eine mechanische Schwingung bei dieser Frequenz ausbildet. Auch die Messkapazität 30 weist damit einen mit der Hilfsfrequenz f1 veränderlichen Anteil auf. Die Hilfs­ frequenz beträgt im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 etwa 100 kHz.

Aufgrund der Variation der Messkapazität 30 ergibt sich ein dielektrischer Verschiebungsstrom I1, der unter anderem auch eine Messinformation über das unbekannte elektrische Leiter­ potential U0 trägt. Diese Messinformation wird in einer Aus­ werteeinheit 40 bei der Ermittlung eines Messwerts M für das elektrische Leiterpotential U0 extrahiert. Eine Messempfind­ lichkeit ist im wesentlichen durch einen Kapazitätshub der Variation der Messkapazität 30 und durch die Hilfsfrequenz f1 bestimmt. Sie lässt sich demnach auch über eine geeignete Wahl der Hilfsfrequenz f1 erhöhen. Der ebenfalls in die Mess­ empfindlichkeit eingehende Kapazitätshub kann vorab aufgrund der geometrischen Verhältnisse, der Abstandsänderung sowie der dielektrischen Eigenschaften der elektrischen Isolierung 51 ermittelt werden und in der Auswerteeinheit 40 als fester Parameter in analoger oder digitaler Form hinterlegt werden. Es lässt sich bei der Zylindergeometrie von Fig. 1 problem­ los ein Verhältnis von Kapazitätshub zu Kapazitätsmittelwert (= ΔC/CO; vgl. Gleichung (3)) in der Größenordnung von 10^-3 erreichen. Beispielsweise können dabei der Kapazitätshub ΔC einen Wert von ca. 10^-15 F und der Kapazitätsmittelwert CO einen Wert von ca. 10^-12 F annehmen. Damit lässt sich dann unter Berücksichtigung der dem zu messenden dielektrischen Verschiebungsstrom üblicherweise überlagerten Störungen (z. B. Rauschen) eine Messgenauigkeit von einigen 10 mV erreichen.

Um zu gewährleisten, dass infolge der mechanischen Schwingung kein Luftspalt zwischen der Messelektrode 31 und der elektri­ schen Isolierung 51 entsteht, wird die Messelektrode 31 unter einem Anpressdruck von etwa 20 bar form- und kraftschlüssig auf der elektrischen Isolierung 51 angebracht. Ein Luftspalt kann nämlich zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit führen.

In Fig. 2 ist eine andere Vorrichtung zur Erfassung des elektrischen Leiterpotentials U0 dargestellt. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 sind bei der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung zwei Messelektroden 32 und 33 vorge­ sehen, die einander gegenüberliegend mit vorgegebenem An­ pressdruck auf die elektrische Isolierung 51 aufgebracht werden. Die Messelektroden 32 und 33 haben jeweils einen Querschnitt in Form eines Teilkreisbogens, der an die Außenkontur der elektrischen Isolierung angepasst ist, so dass im Bereich der Auflagefläche ein flächiger mechanischer Kontakt mit der elektrischen Isolierung 51 gegeben ist.

Der Anpressdruck wird über zwei Hebelarme 23 und 24, an derem jeweiligen einen Ende die Messelektroden 33 bzw. 32 ange­ bracht sind, ausgeübt. Am jeweiligen anderen Ende der Hebel­ arme 23 und 24 befindet sich ein piezoelektrischer Resonator 22. Bei Anlegen der Hilfsspannung U1 wird der piezoelektri­ sche Resonator 22 zu einer durch die Pfeile 26 angedeuteten mechanischen Schwingung in Dickenrichtung angeregt. Die Aus­ lenkung des piezoelektrischen Resonators 22 wird dann über die Hebelarme 23 und 24 auf die jeweils zugehörigen Messelek­ troden 33 bzw. 32 und durch diese auf die elektrische Isolie­ rung 51 übertragen. Die Hebelarme 23 und 24 bestehen vorzugs­ weise aus einem elektrisch isolierenden Material, hier aus Hart-Polystyrol. Ein anderes Material ist jedoch ebenso mög­ lich. Für eine gute Kraftübertragung ist es günstig, wenn das Material eine hohe mechanische Festigkeit aufweist. Das Iso­ liervermögen der Hebelarme 23 und 24 verhindert einen ansons­ ten möglichen elektrischen Kurzschluss der in Fig. 2 nicht näher bezeichneten Resonatorelektroden des piezoelektrischen Resonators 22 über die Auswerteeinheit 40.

Die Kraftübertragung zwischen dem piezoelektrischen Resonator 22 und der elektrischen Isolierung 51 erfolgt über die Hebel­ arme 23 und 24. Da der dadurch hervorgerufene mechanische Druck auf die elektrische Isolierung 51 in einer durch die Anordnung der beiden Messelektroden 32 und 33 bestimmten Vor­ zugsrichtung ausgeübt wird, verformt sich die elektrische Isolierung 51 nicht mehr gleichmäßig über ihren Querschnitt. Infolge der gerichteten Verformung ergibt sich nun ein im wesentlichen elliptischer Querschnitt, der in Fig. 2 strich­ punktiert eingetragen ist. Der Abstand der beiden Messelek­ troden 32 und 33 zu dem elektrischen Leiter 50 verändert sich jedoch auch bei diesem Ausführungsbeispiel zyklisch mit der Hilfsfrequenz f1. Die damit verbundene Variation der Mess­ kapazität 30 ruft dann an beiden Messelektroden 32 und 33 wieder einen dielektrischen Verschiebungsstrom I1 hervor, der ähnlich wie im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 zur Ermittlung des Messwertes M in der Auswerteeinheit 40 herangezogen wird.

Eine Vorrichtung zur Erfassung des elektrischen Leiterpoten­ tials U0 mit insgesamt vier Messelektroden 32, 33, 34 und 35 ist in Fig. 3 dargestellt. Die mechanische Verformung der elektrischen Isolierung 51 erfolgt dabei analog zu dem Aus­ führungsbeispiel von Fig. 2. Zur besseren Übersichtlichkeit ist in Fig. 3 die elektroakustische Wandlereinheit 20 mit den Hebelarmen 23 und 24 sowie dem piezoelektrischen Resona­ tor 22 nicht dargestellt. Die vier Messelektroden 32 bis 35 besitzen im wesentlichen die gleiche Gestalt wie die beiden Messelektroden 32 und 33 im Ausführungsbeispiel von Fig. 2. Jeweils zwei der vier Messelektroden 32 bis 35 sind einander gegenüberliegend auf der elektrischen Isolierung 51 ange­ bracht. Dadurch ergeben sich ein erstes Elektrodenpaar aus den Messelektroden 32 und 33 sowie ein zweites Elektrodenpaar aus den Messelektroden 34 und 35.

Bei dieser Vorrichtung wird ausgenützt, dass eine Stauchung der elektrischen Isolierung 51 in einer Richtung zu einer Ausdehnung in der im wesentlichen dazu senkrechten Orien­ tierung führt. Die beiden Elektrodenpaare sind nun gerade längs dieser beiden Vorzugsorientierungen, die sich durch eine maximale Stauchung bzw. eine maximale Ausdehnung der elektrischen Isolierung 51 auszeichnen, ausgerichtet. Beide Elektrodenpaare erfahren damit eine gegensätzliche Wirkung.

Am ersten Elektrodenpaar kann ein erster Teil I11 des di­ elektrischen Verschiebungsstroms I1 und am zweiten Elektro­ denpaar ein zweiter Teil I12 des dielektrischen Verschie­ bungsstroms I1 abgegriffen werden. Führt man beide Teile I11 und I12 einem Differenzverstärker 44 zur phasenrichtigen Addition zu, so erhält man einen gesamten dielektrischen Verschiebungsstrom I1, mit einer gegenüber dem Ausführungs­ beispiel von Fig. 2 erhöhten Messempfindlichkeit.

In Fig. 4 ist eine Vorrichtung zur Potentialmessung an einem streifenförmigen Leiter 52 dargestellt. Der streifenförmige Leiter 52 ist im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen der vorhergehenden Figuren nicht ringsum elektrisch isoliert. Vielmehr dient ein Leiterplattensubstrat, wie es beispiels­ weise auch für gedruckte Schaltungen verwendet wird, als elektrische Isolierung 53. Die elektrische Isolierung 53 besteht hier aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). Sie kann jedoch ebenso gut aus einem anderen geeigneten Isola­ tionsmaterial, wie z. B. Teflon, bestehen. Bei dieser ebenen Anordnung wird eine ebenfalls ebene Messelektrode 36 auf einer von dem elektrischen Leiter 52 abgewandten Seite der elektrischen Isolierung 53 kraft- und formschlüssig im Be­ reich des Leiters 52 angebracht. Zwischen dem elektrischen Leiter 52 und der Messelektrode 36 bildet sich dann wiederum eine in Fig. 4 gestrichelt eingetragene Messkapazität 30 aus. Durch Anregen der elektrischen Isolierung 53 zu einer mechanischen Schwingung wird die Messkapazität 30 variiert, so dass der an der Messelektrode 36 abgegriffene dielektri­ sche Verschiebungsstrom I1 zur Bestimmung des unbekannten Leiterpotentials U0 herangezogen werden kann.

Fig. 5 gibt eine Prinzipdarstellung der in den vorherigen Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele wieder. In diesem Ersatzschaltbild ist der elektrische Leiter 50 oder 52 mit seiner elektrischen Isolierung 51 bzw. 52 sowie den darauf angebrachten Messelektroden 31, 32, 33, 34, 35 bzw. 36 als Reihenschaltung einer Ersatzspannungsquelle 10 mit der vari­ ierenden Messkapazität 30 dargestellt. Die Ersatzspannungs­ quelle 10 speist dabei das unbekannte elektrische Leiter­ potential U0 der Potentialfrequenz f0 in die variierende Messkapazität 30 ein. Das Leiterpotential U0 ist auf eine Bezugsmasse 54 bezogen. Die akustische Anregung erfolgt über einen elektrisch getrennten zweiten Schaltkreis, der die die Hilfsspannung U1 erzeugende erste Spannungsquelle 11 und die elektroakustische Wandlereinheit 20 umfasst. Die akustische oder mechanische Kopplung der elektroakustischen Wandler­ einheit 20 mit mindestens einer der Messelektroden 31 bis 36 ist durch einen mit 25 bezeichneten akustischen bzw. mecha­ nischen Wirkungspfeil gekennzeichnet.

Die Auswertung des dielektrischen Verschiebungsstroms I1 in einer Auswerteeinheit 40a erfolgt über eine Strommesseinheit 41, aus deren Ausgangssignal in einer Verarbeitungseinheit 42a der Messwert M abgeleitet wird. Die Verarbeitungseinheit 42a kann dazu insbesondere eine Filterschaltung, die den Frequenzanteil bei der Hilfsfrequenz f1 selektiert, enthal­ ten. Die Extraktion der gemäß den Gleichungen (4) und (5) relevanten Amplitudeninformation dieses Frequenzanteils er­ folgt dann beispielsweise über einen Hüllkurvendemodulator oder einen Synchrondemodulator mit nachgeschaltetem Tiefpass. Als Eingangssignal eines solchen Synchrondemodulators ist dann neben dem Ausgangssignal der Strommesseinheit 41 auch ein aus der anregenden Hilfsspannung U1 abgeleitetes Signal vorgesehen. Dieses Signal ist gegebenenfalls gegenüber der Hilfsspannung U1 mit einem konstanten Phasenversatz versehen, um die akustische Laufzeit und die differenzierende Wirkung der Messkapazität 30 auszugleichen. Die an der Messkapazität 30 vorgenommene Differentiation entspricht unter Phasenaspek­ ten betrachtet nämlich einer 90°-Phasenverschiebung. Ein Syn­ chrondemodulator bietet den Vorteil einer vorzeichenbehafte­ ten Erfassung des Leiterpotentials U0.

Die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Vorrichtungen sind rezi­ prok. Die Messkapazität 30 kann sowohl akustisch angeregt und ein resultierendes elektrisches Messsignal ausgewertet werden, sie kann jedoch ebenso elektrisch angeregt und ein dann resultierendes akustisches Signal ausgewertet werden. Die physikalische Anordnung des elektrischen Leiters 50 oder 52, der elektrischen Isolierung 51 bzw. 53, der jeweiligen Messelektroden 31 bis 36 sowie der elektroakustischen Wand­ lereinheit 20 ist in beiden Betriebsfällen absolut identisch. Lediglich die für die Anregung und Auswertung erforderlichen Komponenten unterscheiden sich in beiden Fällen voneinander. Die Analogie zwischen beiden Betriebsfällen lässt sich mit der Analogie zwischen einem Kondensatormikrophon und einem elektrostatischen Lautsprecher vergleichen. Eine akustisch angeregte Variation der Messkapazität 30 entspricht dabei der Betriebsweise des Kondensatormikrophons und eine elektrisch angeregte Variation der Messkapazität 30 entspricht der Be­ triebsweise des elektrostatischen Lautsprechers. In Fig. 5 ist demnach die dem Kondensatormikrophon entsprechende Be­ triebsweise dargestellt.

Ebenso kann eine dem elektrostatischen Lautsprecher entspre­ chende Betriebsweise angegeben werden. Die dieser Betriebs­ weise zugeordnete Prinzipdarstellung ist in Fig. 6 gezeigt. Die Anregung der Variation der Messkapazität 30 erfolgt über die an die jeweilige Messelektrode 31 bis 36 angeschlossene erste Spannungsquelle 11, die die Hilfsspannung U1 bei der Frequenz f1 erzeugt. Die Variation der Messkapazität 30 geht einher mit einer mechanischen Schwingung der jeweiligen elek­ trischen Isolierung 51 oder 53. Diese mechanische Schwingung wird als akustisches Signal AS von der elektroakustischen Wandlereinheit 20 entweder über einen direkten mechanischen Kontakt zur jeweiligen Messelektrode 31 bis 33 oder über ein zwischengeschaltetes akustisches Koppelmedium detektiert und in ein proportionales elektrisches Signal, im Ausführungs­ beispiel von Fig. 6 in eine nicht näher bezeichnete propor­ tionale elektrische Spannung, umgewandelt. Die proportionale elektrische Spannung trägt ebenso wie der dielektrische Ver­ schiebungsstrom I1 im Ausführungsbeispiel von Fig. 5 die Messinformation über das unbekannte elektrische Leiterpoten­ tial U0. In einer Auswerteeinheit 40b wird aus der propor­ tionalen elektrischen Spannung mit Hilfe einer Spannungsmess­ einheit 43 und einer Verarbeitungseinheit 42b der Messwert M bestimmt.

Der akustische bzw. mechanische Wirkungspfeil 25 weist im Ausführungsbeispiel von Fig. 6 genau in die umgekehrte Richtung wie beim Ausführungsbeispiel von Fig. 5. Dies veranschaulicht nochmals die Reziprozität zwischen beiden Betriebsfällen.

In Fig. 7 ist eine Weiterbildung der in Fig. 5 dargestell­ ten Vorrichtung mit akustischer Anregung der Messkapazität 30 dargestellt. Diese Weiterbildung, die eine Bestimmung der Messempfindlichkeit betrifft, lässt sich jedoch ebenso gut bei der reziproken Betriebsweise von Fig. 6 anwenden. Über eine zweite Spannungsquelle 12 wird eine mit einer Kalibrier­ frequenz f2 veränderliche Kalibrierspannung U2 an die jewei­ lige Messelektrode 31 bis 36 angelegt. Die in Fig. 7 gezeig­ te Reihenfolge von zweiter Spannungsquelle 12 und Auswerte­ einheit 40c ist nicht zwingend. Ebenso gut kann die Reihen­ folge vertauscht sein, so dass ein Anschlusskontakt der zwei­ ten Spannungsquelle 12 unmittelbar mit der Bezugsmasse 54 verbunden ist.

Die Kalibrierfrequenz f2 liegt z. B. bei 300 Hz, die Hilfs­ frequenz f1 bei 16 kHz. Beide Frequenzen lassen sich damit in der Auswerteeinheit 40c gut sowohl voneinander als auch von der Potentialfrequenz f0, die hier z. B. maximal 10 Hz be­ trägt, trennen.

Neben dem dielektrischen Verschiebungsstrom I1 bei der Hilfs­ frequenz f1 erhält man dann einen weiteren, durch die Kali­ brierfrequenz f2 bestimmten dielektrischen Verschiebungsstrom 12. Da die Kalibrierfrequenz f2 mit 300 Hz im Beispiel von Fig. 7 sehr viel kleiner als die Hilfsfrequenz f1 ist, bil­ det sich der dielektrische Verschiebungsstrom I2 hier als Seitenband des bei der Hilfsfrequenz f1 liegenden dielektri­ schen Verschiebungsstroms I1 aus. Die Frequenzanteile des dielektrischen Verschiebungsstroms I2 liegen also bei (f1 ± f2).

Der umgekehrte Fall, dass die Kalibrierfrequenz f2 sehr viel größer als die Hilfsfrequenz f1 ist, ist jedoch prinzipiell ebenso möglich. Dann bildet sich der dielektrische Verschie­ bungsstrom I1 als Seitenband des bei der Kalibrierfrequenz f2 liegenden dielektrischen Verschiebungsstroms I2 aus. Die Frequenzanteile des dielektrischen Verschiebungsstroms I1 liegen dann bei (f2 ± f1).

Die Kalibrierfrequenz f2 muss sich nicht immer sehr stark von der Hilfsfrequenz f1 unterscheiden. Ebenso gut kann für die Kalibrierfrequenz f2 ein Frequenzwert nahe bei der Hilfs­ frequenz f1 gewählt werden.

Die Auswerteeinheit 40c enthält eine der Bearbeitungseinheit 42a, in der ein noch unkorrigierter Messwert für das Leiter­ potential U0 ermittelt wird, nachgeschaltete Kalibriereinheit 45. Das Ausgangssignal der Bearbeitungseinheit 42a enthält neben dem unkorrigierten Messwert bei der Potentialfrequenz f0 noch einen Signalanteil bei der Kalibrierfrequenz f2 =300 Hz. Dieser Signalanteil wird in der Kalibriereinheit 45 über ein Frequenzfilter 46 separiert. Das Frequenzfilter 46 kann dazu eine Bandsperre und einen Bandpass, die jeweils für die Kalibrierfrequenz f2 ausgelegt sind, umfassen.

Aus dem Signalanteil bei der Kalibrierfrequenz f2 wird in einer Korrekturfaktoreinheit 47 ein Korrekturfaktor K, der ein Maß für die aktuelle Messempfindlichkeit ist, ermittelt. Dies geschieht beispielsweise über einen Gleichrichter und einen nachgeschalteten Tiefpass. Der so ermittelte Korrektur­ faktor K wird dann in einer Korrektureinheit 48 zur Bestim­ mung des endgültigen Messwerts M herangezogen. Die Korrektur­ einheit 48 ist dafür z. B. mit einem Dividierer ausgestattet. Da in den so bestimmten Messwert M über den Korrekturfaktor K eine jeweils zeitgleich ermittelte Information über die Mess­ empfindlichkeit eingeht, erhält man eine sehr genaue Messung für das Leiterpotential U0. Nicht vorhersehbare Umgebungsein­ flüsse, wie z. B. eine Temperaturschwankung, sind automatisch mitberücksichtigt. Die erzielbare Messgenauigkeit wird folg­ lich erhöht.

In Fig. 8 ist eine andere Weiterbildung der Vorrichtung von Fig. 5 gezeigt, die sich auch wieder prinzipiell auf die reziproke in Fig. 6 dargestellte Betriebsweise übertragen lässt. Mit Hilfe dieser Weiterbildung kann man eine ähnliche Messgenauigkeit wie bei der Vorrichtung von Fig. 7 erzielen, ohne dass dafür separate Mittel zur Kalibrierung notwendig sind. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 8 enthält eine Aus­ werteeinheit 40d statt dessen eine Regelschaltung.

Als Regelkriterium dieser Regelschaltung dient die vor­ zeichenbehaftete Amplitude des dielektrischen Verschiebungs­ stroms I1. Das aus dem dielektrischen Verschiebungsstrom I1 abgeleitete Ausgangssignal der Verarbeitungseinheit 42a wird einem Integrator 49 oder einem anderen Bauelement mit Tief­ passcharakter zugeführt. Gegebenenfalls in dem Aussignal noch vorhandene hochfrequente Anteile, die deutlich jenseits der höchsten zu erfassenden Potentialfrequenz f0 (DC bis wenige Hz) liegen, werden dadurch eliminiert. Das Ausgangssignal des Integrators 49 ist auf die jeweilige Messelektrode 31 bis 36 zurückgekoppelt.

Durch diese besonders günstige Schaltungsvariante wird nun ein Elektrodenpotential der jeweiligen Messelektrode 31 bis 36 solange nachgeregelt, bis es abgesehen von den üblichen Regelabweichungen, die je nach Rauschen z. B. in der Größen­ ordnung von 10^-6 liegen können, den gleichen Wert wie das unbekannte elektrische Leiterpotential U0 aufweist. Bei annähernder Potentialgleichheit ergibt sich dann auch ein verschwindender dielektrischer Verschiebungsstrom I1 durch die Messkapazität 30.

Der Messwert M kann nun jedoch unmittelbar an der jeweiligen Messelektrode 31 bis 36 abgegriffen und über ein galvanisch an die jeweilige Messelektrode 31 bis 36 angeschlossenes konventionelles Spannungsmessgerät ermittelt werden.

Die Erfindung gibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung eines elektrischen Leiterpotentials an, welche sich beide durch große Einfachheit, Präzision und Robustheit gegenüber störenden Umgebungseinflüssen auszeichnen. Die Detektion eines konstanten Leiterpotentials ist außerdem problemlos möglich. Die Erfindung eignet sich insbesondere hervorragend für eine Potentialmessung in einer elektrischen Installation, insbesondere in einer Installation für eine elektrische Steuerung.

Claims (21)

1. Verfahren zur kapazitiven Messung eines auf eine Bezugs­ masse (54) bezogenen elektrischen Leiterpotentials (U0) eines mit einer elektrischen Isolierung (51, 53) versehenen elek­ trischen Leiters (50, 52), bei welchem Verfahren

• - mindestens eine auf die elektrische Isolierung (51, 53) unter Ausbildung eines vorgegebenen Anpressdrucks form- und kraftschlüssig aufgebrachte Messelektrode (31 bis 36) vorgesehen wird, so dass zwischen dem elektrischen Leiter (50, 52) und der Messelektrode (31 bis 36) eine Mess­ kapazität (30) gebildet ist,
• - die elektrische Isolierung (51, 53) in eine mechanische Schwingung bei einer vorgegebenen Hilfsfrequenz (f1) ver­ setzt wird, so dass die Messkapazität (30) variiert wird,
• - ein von der variierenden Messkapazität (30) und von dem elektrischen Leiterpotential (U0) abhängiges Messsignal (I1, AS) ermittelt und ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die mechanische Schwingung durch periodische Variation eines Abstands zwischen dem elektri­ schen Leiter (50, 52) und der Messelektrode (31 bis 36) er­ zeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die mechanische Schwingung durch Ausüben von dynamischem Druck auf die elektrische Iso­ lierung (51, 53) erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass als Mess­ signal ein dielektrischer Verschiebungsstrom (I1), der über die variierende Messkapazität (30) fließt, ermittelt und aus­ gewertet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die mechanische Schwingung durch Anlegen einer elektrischen Hilfsspannung (U1) an die Mess­ elektrode (31 bis 36) erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass als Messsignal ein durch die mechanische Schwingung hervorgerufenes akustisches Signal (AS) ermittelt und ausgewertet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass zur Bestim­ mung einer Messempfindlichkeit eine Kalibrierspannung (U2) mit einer Kalibrierfrequenz (f2) an die Messelektrode (31 bis 36) angelegt und ein durch die Kalibrierfrequenz (f2) be­ stimmter Frequenzanteil des Messsignals (I2) ausgewertet wird, wobei die Kalibrierfrequenz (f2) verschieden von der Hilfsfrequenz (f1) ist und außerhalb eines Potentialfrequenz­ bereichs des zu messenden elektrischen Leiterpotentials (U0) liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, dass die Mess­ elektrode (31 bis 36) auf ein Elektrodenpotential geregelt wird, das dem zu messenden elektrischen Leiterpotential (U0) des elektrischen Leiters (50, 52) entspricht.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass als Hilfs­ frequenz (f1) eine Frequenz aus dem Bereich zwischen 15 kHz und 2 MHz vorgesehen wird.

10. Vorrichtung zur kapazitiven Messung eines auf eine Be­ zugsmasse (54) bezogenen elektrischen Leiterpotentials (U0) eines mit einer elektrischen Isolierung (51, 53) versehenen elektrischen Leiters (50, 52) umfassend:

• - mindestens eine Messelektrode (31 bis 36), die unter einem vorgegebenem Anpressdruck form- und kraftschlüssig auf die elektrische Isolierung (51, 53) aufgebracht ist,
• - eine zwischen dem elektrischen Leiter (50, 52) und der Messelektrode (31 bis 36) gebildete Messkapazität (30),
• - Oszillationsmittel (20, 21, 22, 11) zur Erzeugung einer mechanischen Schwingung bei einer vorgegebenen Hilfs­ frequenz (f1) in der elektrischen Isolierung (51, 53), wobei die mechanische Schwingung eine Variation der Mess­ kapazität (30) bewirkt,
• - eine Auswerteeinheit (40, 40a, 40b, 40c, 40d) zur Bestim­ mung und Auswertung eines von der variierenden Messkapa­ zität (30) und von dem elektrischen Leiterpotential (U0) abhängigen Messsignals (I1, AS).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10 gekennzeich­ net durch eine insbesondere reziproke elektro­ akustische Wandlereinheit (20), die mit der elektrischen Isolierung (51, 53) akustisch gekoppelt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die elektroakustische Wand­ lereinheit (20) einen piezoelektrischen Resonator (21, 22) beinhaltet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die elektroakustische Wand­ lereinheit (20) mindestens einen mechanischen Hebelarm (23, 24) beinhaltet, und eine Kraftübertragung zwischen dem piezoelektrischen Resonator (21, 22) und der elektrischen Isolierung (51, 53) über den mindestens einen mechanischen Hebelarm (23, 24) erfolgt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, dass die Oszilla­ tionsmittel die elektroakustische Wandlereinheit (20) umfas­ sen, und die elektrische Isolierung (51, 53) durch die elek­ troakustische Wandlereinheit (20) zu der mechanischen Schwin­ gung anregbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (40, 40a, 40c, 40d) eine elektrisch an die Messelektrode (31 bis 36) angeschlossene Strommesseinheit (41) umfasst, über die ein von der variierenden Messkapazität (30) und von dem elektrischen Leiterpotential (U0) abhängiger dielektrischer Verschiebungsstrom (I1, 12) detektierbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, dass die Oszilla­ tionsmittel eine elektrisch an die Messelektrode (31 bis 36) angeschlossene erste Spannungsquelle (11) umfassen, und die elektrische Isolierung (51, 53) durch eine von der ersten Spannungsquelle (11) erzeugte mit der Hilfsfrequenz (f1) variierende Hilfsspannung (U1) zu der mechanischen Schwingung anregbar ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, dass die elektro­ akustische Wandlereinheit (20) ausgelegt ist zur Erfassung eines durch die mechanische Schwingung hervorgerufenen aku­ stischen Signals (AS), das von der variierenden Messkapazität (30) und von dem elektrischen Leiterpotential (U0) abhängig ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, dass eine zweite Spannungsquelle (12) zur Erzeugung einer Kalibrierspannung (U2) mit einer Kalibrierfrequenz (f2) elektrisch an die Mess­ elektrode (31 bis 36) angeschlossen ist, wobei die Kalibrier­ frequenz (f2) verschieden von der Hilfsfrequenz (f1) ist und außerhalb eines Potentialfrequenzbereichs des zu messenden elektrischen Leiterpotentials (U0) liegt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (40, 40c) eine Kalibriereinheit (45) zur Ermittlung einer Mess­ empfindlichkeit aus einem durch die Kalibrierfrequenz (f2) bestimmten Frequenzanteil des Messsignals (I2) enthält.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, dass die Aus­ werteeinheit (40, 40d) eine Regelschaltung enthält, mit der die Messelektrode (31 bis 36) auf ein Elektrodenpotential, das dem zu messenden elektrischen Leiterpotential (U0) des elektrischen Leiters (50, 52) entspricht, regelbar ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, da­ durch gekennzeichnet, dass als Hilfs­ frequenz (f1) eine Frequenz aus dem Bereich zwischen 15 kHz und 2 MHz vorgesehen ist.