DE19931123A1

DE19931123A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung eines elektrischen Potentials eines elektrischen Leiters

Info

Publication number: DE19931123A1
Application number: DE1999131123
Authority: DE
Inventors: Ralph Oppelt
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 1999-07-06
Publication date: 2001-02-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung eines elektrischen Potentials eines elektrischen Leiters (1), welcher von einer Isolierhülle (2) umgeben ist, relativ zu einer Masseelektrode (3) mittels eines Elektrometers (7), welches über einen direkt mit dem Leiter verbundenen ersten Widerstand (4) zwischen den Leiter (1) und die Masseelektrode (3) geschaltet ist. Dazu ist der Widerstand (4) gebildet von einem Teilbereich (4) der Isolierhülle (2), welcher von einer elektrisch leitfähigen Hülse (6) abgedeckt ist und auf eine gegenüber einer Umgebungstemperatur erhöhte, einer vorgegebenen Meßtemperatur entsprechenden Temperatur erwärmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung eines elektrischen Potentials eines elektrischen Lei ters, welcher von einer Isolierhülle umgeben ist, relativ zu einer Masseelektrode, mittels eines Elektrometers, welches über einen direkt mit dem Leiter verbundenen Widerstand zwi schen den Leiter und die Masseelektrode geschaltet ist.

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

Aus der DE 41 34 695 A1 sowie dem US-Patent 5,293,113 ist ei ne Methode zur Messung eines elektrischen Potentials ohne ei nen direkten Kontakt zu dem Leiter, dessen Potential gemessen werden soll, bekannt.

Andere Vorrichtungen und Verfahren jeweils zur Messung eines hohen elektrischen Potentials oder anderen elektrischen Meß größe gehen hervor aus der WO 94/29733 A1 und der DE 44 13 912 A1; die vorgestellten Verfahren arbeiten ohne direkten Kontakt zu dem elektrischen Leiter, dessen elektri sches Potential 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.

Als Elektrometer kommt grundsätzlich jede bekannte Einrich tung zur Messung einer elektrischen Spannung oder eines elek trischen Potentials in Betracht, welche über einen hinrei chend hohen Innenwiderstand verfügt. Denkbar ist es auch, ei nen direkt mit einem Leiter, dessen elektrisches Potential gemessen werden soll, kontaktierten Widerstand einzubinden in einen Spannungsteiler, wenn das zu messende elektrische Po tential eventuell zu hoch für eine direkte Messung ist. Dann liegt das Elektrometer parallel zu einem weiteren Widerstand dieses Spannungsteilers oder bildet diesen, vorausgesetzt, sein Innenwiderstand hat einen entsprechenden Wert, selbst.

Ein "Elektrometerverstärker", der mit einem handelsüblichen Operationsverstärker aufgebaut wird und sich auszeichnet durch einen extrem hohen Eingangswiderstand, ergibt sich aus dem Buch "Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, 9. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 1990, S. 854 ff.

Es besteht ein Bedarf an einem einfachen Verfahren und einer einfachen Vorrichtung zur Bestimmung eines elektrischen Po tentials eines elektrischen Leiters mit der Vorgabe, daß eine Freilegung des elektrischen Leiters von seiner üblichen Iso lierhülle nicht notwendig sein soll; das Verfahren und die Vorrichtung sollen anwendbar sein bei der Bestimmung eines elektromagnetischen Potentials eines elektrischen Leiters, der Bestandteil einer mehr oder weniger komplexen Installati on, beispielsweise einer Installation für eine elektrische Steuerung, ist. Ein solcher Bedarf stellt sich z. B. ein an läßlich einer Revision einer elektrischen Installation in ei nem Gebäude oder einer industriellen Anlage. In solchem Zu sammenhang beträgt ein zu bestimmendes elektrisches Potential in der Regel wenige Volt (zwischen 5 V und 24 V entsprechend geläufigen Standards) ist entweder zeitlich unveränderlich oder mit geringer Frequenz (wenige Hz) veränderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen.

Zur Lösung der Aufgabe angegeben wird ein Verfahren zur Mes sung eines elektrischen Potentials eines elektrisches Lei ters, welcher von einer Isolierhülle umgeben ist, relativ zu einer Masseelektrode mittels eines Elektrometers, welches über einen mit dem Leiter direkt verbundenen Widerstand zwi schen den Leiter und die Masseelektrode geschaltet ist, bei dem der Widerstand gebildet wird von einem Teilbereich der Isolierhülle, welcher von einer elektrisch leitfähigen Hülse abgedeckt ist und auf eine gegenüber einer Umgebungstempera tur erhöhte, einer vorgegebenen Meßtemperatur entsprechende Temperatur erwärmt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird auch angegeben eine Vorrich tung zur Messung eines elektrischen Potentials eines elektri sches Leiters, welcher von einer Isolierhülle umgeben ist, relativ zu einer Masseelektrode, umfassend:

a) eine elektrisch leitfähige Hülse, welche mit der Isolier hülle kontaktierbar ist;
b) ein mit der Hülse verbundenes und durch eine weitere Ver bindung mit der Masseelektrode zwischen diese und den Leiter schaltbares Elektrometer; und
c) eine Heizeinrichtung zur Erwärmung eines von der Hülse abgedeckten Teilbereichs der Isolierhülle auf eine gegenüber einer Umgebungstemperatur erhöhte, einer vorgegebenen Meßtem peratur entsprechenden Temperatur.

Das Verfahren und die Vorrichtung erfordern erfindungsgemäß keinen Rückgriff auf die bekannten kontaktlosen Meßverfahren und vermeiden deren stets notwendige Kompliziertheit. Viel mehr lehnt sich das Verfahren an an das Prinzip der Span nungsmessung unter Verwendung einer wirksamen galvanischen Kontaktierung des elektrischen Leiters. Erfindungsgemäß wird dazu der real zwar hohe, aber doch endliche ohmsche Wider stand der Isolierhülle des elektrischen Leiters nutzbar ge macht und durch Erwärmung so weit herabgesetzt, daß die ge wünschte Messung mittels eines herkömmlichen Elektrometers möglich ist. Das Erreichen eines angemessen niedrigen Wider standes wird dadurch gefördert, daß die Kontaktierung der Isolierhülle flächig erfolgt und so ein räumlich ausgedehnter Teil der Isolierhülle zur Bildung des Widerstandes zum Ein satz kommt.

Vorzugsweise wird als Meßtemperatur eine Temperatur entspre chend einer vorgegebenen maximalen Betriebstemperatur der Isolierhülle gewählt; die auf diese Weise maximierte Tempera turdifferenz zwischen der Meßtemperatur und der Umgebungstem peratur in üblicher Höhe sorgt für eine inhärente Stabilisie rung der Temperatur der Isolierhülle und gewährleistet eine maximale Absenkung des Isolationswiderstands der Isolierhül le. Eine zugehörige maximale Betriebstemperatur ist für jeden üblichen Isolierstoff bekannt; grundsätzlich kann davon aus gegangen werden, daß bei einem im Rahmen einer üblichen In stallation verwendeten Isolierstoff die maximale Betriebstem peratur zumindest bei 70°C liegt.

Die Temperatur der erwärmten Isolierhülle wird vorzugsweise aktiv überwacht und geregelt; zu diesem Zweck ist die Vor richtung ergänzt um einen Sensor, welcher die Temperatur der erwärmten Isolierhülle mißt, und einen einstellbaren Regler, mit welchem der Sensor verbunden ist und welcher den notwen digen Regelvorgang besorgt. An dem Regler kann auch die ge wünschte Meßtemperatur eingestellt werden.

Der zu erwärmende Teilbereich der Isolierhülle kann insbeson dere erwärmt werden mittels einer Heizeinrichtung, die diesen Teilbereich direkt kontaktiert. Eine solche Heizeinrichtung ist beispielsweise eine elektrische Widerstandsheizung. Um jedwede Beeinträchtigung des Ergebnisses der Messung des elektrischen Potentials des elektrischen Leiters durch eine solche Heizeinrichtung auszuschließen ist es vorteilhaft, die Heizeinrichtung mittels eines geeigneten Servoverstärkers, welcher im einfachsten Fall lediglich ein Spannungsfolger ist, auf ein einem elektrischen Potential der Hülse entspre chendes elektrisches Potential zu bringen. Zum Zwecke der galvanischen Entkopplung kann die nötige Energieversorgung für die Heizeinrichtung und den Servoverstärker gegebenen falls über einen Trenntransformator mit ausreichend hohem Isolationswiderstand erfolgen.

Alternativ ist es von Vorteil, eine Heizeinrichtung vorzuse hen, welche die entsprechenden Teilbereiche der Isolierhülle durch eine Strahlung, insbesondere eine Mikrowellenstrahlung, erwärmt und keiner Kontaktierung mit der Isolierhülle bedarf. Die Heizeinrichtung kann also ein geeigneter Mikrowellen strahler sein; auch ein Infrarotstrahler kommt als Heizein richtung in Betracht. In einem solchen Fall kann u. U. der erwähnte Servoverstärker entfallen.

Um eine Beeinträchtigung der Messung durch einen äußeren Ein fluß auszuschließen ist es weiterhin vorteilhaft, die Vor richtung zu ergänzen um eine Abschirmung, innerhalb derer die Hülse, das Elektrometer und die Heizeinrichtung angebracht werden können, und wobei insbesondere die Abschirmung mit der Masseelektrode, bezüglich derer das elektrische Potential des elektrischen Leiters gemessen ist, verbunden wird.

Für die Messung wird der Widerstand vorzugsweise eingestellt auf einen Wert, welcher höchstens 1/100 eines Innenwiderstan des des Elektrometers beträgt. Bei der Verwendung eines her kömmlichen Elektrometerverstärkers mit einem Innenwiderstand von etwa 10¹⁵Ohm als Elektrometer wird dies insbesondere dann erreicht, wenn der Widerstand durch geeignete Formgebung des entsprechenden Teilbereichs der Isolierhülle und entspre chende Erwärmung auf einen Wert in der Größenordnung von 10¹² Ohm gebracht wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung erläutert. Die Zeichnung ist aufzufassen als sche matische Skizze. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Messung eines elektrischen Po tentials eines elektrischen Leiters mit einer mit der Isolierhülle kontaktierten Heizeinrichtung;

Fig. 2 eine Schaltung mit einem Servoverstärker zur Ein stellung des Potentials der Heizeinrichtung gemäß Fig. 1; und

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Messung eines elektrischen Po tentials eines elektrischen Leiters mit einer Hei zeinrichtung, die die Isolierhülle des Leiters nicht kontaktiert.

Fig. 1 zeigt einen elektrischen Leiter 1, umgeben von einer Isolierhülle 2. In der Regel wird der elektrische Leiter 1 zylindrisch sein, sei es als Draht oder Litze, ebenso die Isolierhülle 2. Der elektrische Leiter 1 hat gegenüber einer Masseelektrode 3, üblicherweise einem Null- oder Erdleiter einer elektrischen Installation, ein unbekanntes elektrisches Potential, und dies soll nun ohne Beeinträchtigung der Iso lierhülle 2 gemessen werden. Zu diesem Zweck wird ein Wider stand 4 gebildet aus einem gewissen Teilbereich 4 der Iso lierhülle 2, indem zunächst dieser Teilbereich 4 mit einer elektrisch leitfähigen Hülse 6 kontaktiert wird; beispiels weise ist diese Hülse 6 eine auf die Isolierhülle 2 aufge klebte Kupferfolie (zum Kleben kann jeder thermisch ausrei chend stabile Kleber verwendet werden; ein besonderer elek trisch leitfähiger Kleber ist in der Regel nicht erforder lich, nur sollte ein Kontakt zwischen Hülse 6 und Isolierhül le 2 ohne Luftspalt gewährleistet sein). Die Größe des Wider standes 4 wird bestimmt, indem der Teilbereich 4 mittels der Heizeinrichtung 8 auf eine gegenüber einer üblichen Umgebung stemperatur erhöhte Meßtemperatur aufgeheizt wird. Dadurch sinkt der spezifische Widerstand des Werkstoffes der Isolier hülle 2 in dem Teilbereich 4, und damit kann das gesuchte elektrische Potential des elektrischen Leiters 1 mittels des zwischen die Hülse 6 und die Masseelektrode 3 geschalteten Elektrometers 7 gemessen werden. Vorliegend ist das Elektro meter 7 ein als Spannungsfolger geschalteter Operationsver stärker, herkömmlich als "Elektrometerverstärker" bezeichnet; es zeichnet sich aus durch einen Innenwiderstand wesentlich oberhalb von 1 Gigaohm, in der Regel bei etwa 10¹⁵ Ohm. Die Anzeige des elektrischen Potentials erfolgt über die Anzeige einrichtung 13, vorliegend beispielhaft als herkömmliches Meßinstrument ausgeführt.

Die vorgegebene Meßtemperatur entspricht vorzugsweise einer maximalen Betriebstemperatur der Isolierhülle 2; dadurch wird ein möglichst geringer Wert für den Widerstand 4 und so eine besonders große Genauigkeit der Messung erreicht.

Die Heizeinrichtung 8 ist beispielsweise eine Anordnung elek trischer Widerstände, welche von elektrischem Strom in geeig neter Höhe durchflossen werden und die gewünschte Erwärmung bewerkstelligen. Um eine Beeinträchtigung der Messung durch einen über die Heizeinrichtung 8 fließenden Kriechstrom oder dergleichen auszuschließen, wird die Heizeinrichtung 8 mit tels eines Servoverstärkers 9, dargestellt als Spannungsfol ger, auf ein dem Potential der Hülse 6 entsprechendes Poten tial gebracht; dies schließt das Auftreten eines Kriechstro mes aus. Eine Regelung der Temperatur des Teilbereichs 4 er folgt mittels eines an der Heizeinrichtung 8 angebrachten Sensors 10 und eines Reglers 11, welcher mit dem Sensor 10 verbunden ist und die Heizeinrichtung 8 regelt. Zwecks Vorga be der Meßtemperatur ist der Regler 11 einstellbar. Um jedwe de Beeinträchtigung der Vorrichtung und ihrer Funktion durch einen von außen kommenden Einfluß auszuschließen, ist die ge samte Vorrichtung umgeben von einer Abschirmung 12, welche elektrisch leitfähig und mit der Masseelektrode 3 verbunden ist.

Ein Schaltungsbeispiel für den mit der Heizeinrichtung 8 und dem Sensor 10 zusammenwirkenden Servoverstärker 9 ergibt sich aus Fig. 2. Demnach ist die Heizeinrichtung 8 aufgeteilt in zwei zueinander gleiche Widerstände, ebenso der Sensor 10. Sowohl die Heizeinrichtung als auch der Sensor 10 sind derart mit dem Ausgang des Servoverstärkers 9 verbunden, daß sich über der Heizeinrichtung 8 und über dem Sensor 10 ein mittle res Potential entsprechend einer am Eingang des Servoverstär kers 9 anliegenden Vorgabe ergibt.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, wel ches in vielen Einzelheiten mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 übereinstimmt und insoweit nicht erneut en detail er läutert werden muß. Ein Unterschied liegt darin, daß die Er wärmung der Isolierhülle 2 über eine Heizeinrichtung 8 er folgt, welche nicht mit der Isolierhülle 2 bzw. der Hülse 6 kontaktiert ist und die Erwärmung mittels einer Strahlung, insbesondere Mikrowellen- oder Infrarotstrahlung, bewerkstel ligt. Es versteht sich, daß auch diese Heizeinrichtung 8 im Sinne der Heizeinrichtung 8 gemäß Fig. 1 ergänzbar ist um einen Sensor 10 und einen Regler 11; ggf. kann von dem Servo verstärker 9 gemäß Fig. 1 abgesehen werden.

Die Erfindung gibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung eines elektrischen Potentials eines elektrischen Lei ters an, welche beide sich durch große Einfachheit und Präzi sion bei der geforderten Messung auszeichnen. Die Erfindung eignet sich insbesondere hervorragend für eine entsprechende Messung in einer elektrischen Installation, insbesondere ei ner solchen Installation für eine elektrische Steuerung.

Claims

1. Verfahren zur Messung eines elektrischen Potentials eines elektrischen Leiters (1), welcher von einer Isolierhülle (2) umgeben ist, relativ zu einer Masseelektrode (3), mittels ei nes Elektrometers (7), welches über einen mit dem Leiter (1) direkt verbundenen Widerstand (4) zwischen den Leiter (1) und die Masseelektrode (3) geschaltet ist, bei dem der Widerstand (4) gebildet wird von einem Teilbereich (4) der Isolierhülle (2), welcher von einer elektrisch leitfähigen Hülse (6) abge deckt ist und auf eine gegenüber einer Umgebungstemperatur erhöhte, einer vorgegebenen Meßtemperatur entsprechende Tem peratur erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Meßtemperatur einer vorgegebenen maximalen Betriebstemperatur der Isolierhülle (2) entspricht.

3. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Temperatur überwacht und geregelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem der Teilbereich (4) mittels einer elektrischen Heizeinrichtung (8), welche mit dem Teilbereich (4) kontaktiert ist, erwärmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Heizeinrichtung (8) mittels eines Servoverstärkers (9) auf ein einem elektrischen Potential der Hülse (6) entsprechendes elektrisches Potential gebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Teilbereich (4) durch eine Strahlung, insbesondere eine Mi krowellenstrahlung, erwärmt wird.

7. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem der Widerstand (4) eingestellt wird auf einen Wert, welcher höch stens 1/100 eines Innenwiderstandes des Elektrometers (7) be trägt.

8. Vorrichtung zur Messung eines elektrischen Potentials ei nes elektrisches Leiters (1), welcher von einer Isolierhülle (2) umgeben ist, relativ zu einer Masseelektrode (3), umfas send:

a) eine elektrisch leitfähige Hülse (6), welche mit der Iso lierhülle (2) kontaktierbar ist;
b) ein mit der Hülse (6) verbundenes und durch eine weitere Verbindung mit der Masseelektrode (3) zwischen diese und den Leiter (1) schaltbares Elektrometer (7); und
c) eine Heizeinrichtung (8) zur Erwärmung eines von der Hül se (6) abgedeckten Teilbereichs (4) der Isolierhülle (2) auf eine gegenüber einer Umgebungstemperatur erhöhte, einer vor gegebenen Meßtemperatur entsprechenden Temperatur.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, deren Heizeinrichtung (8) ei nen Sensor (10) zur Bestimmung der Temperatur und einen damit verbundenen einstellbaren Regler (11) zur Einstellung der Meßtemperatur und Regelung der Temperatur aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, bei der die Heizeinrichtung (8) mit dem zu erwärmenden Teilbereich (4) kontaktierbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, umfassend einen Servover stärker (9), durch welchen die Heizeinrichtung (8) auf ein einem elektrischen Potential der Hülse (6) entsprechendes elektrisches Potential bringbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, bei der die Heizeinrichtung (8) nicht mit dem Teilbereich (4) kontaktier bar und zu dessen Erwärmung mittels einer Strahlung, insbe sondere einer Mikrowellenstrahlung, eingerichtet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, umfassend eine Abschirmung (12), innerhalb derer der die Hülse (6), das Elektrometer (7) und die Heizeinrichtung (8) anbringbar sind.