DE19904047A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung elektrischer Felder mit einer Kompensationseinrichtung - Google Patents

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Messung elektrischer Felder mit einem Feldsensor, der mindestens ein Feldplattenpaar aufweist und einer Meßvorrichtung, die jeweils einen Meßkanal aufweist, der mit einer zugehörigen Feldplatte verbunden ist. Das Meßsignal von einer oder beiden Feldplatten wird derart korrigiert, daß eine isotrope Erfassung eines E-Felds möglich ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung elektrischer Felder mit einer Kompensa­ tionseinrichtung.

In der internationalen Patentanmeldung PCT/EP97/01453 des vorliegenden Anmelders wird eine Vorrich­ tung und ein Verfahren zur Messung elektrischer und/oder magnetischer Felder beschrieben. Insbesondere wird ein Feld­ sensor beschrieben, mit der das gleichzeitige Messen des magnetischen Feldes und des elektrischen Feldes an einem be­ stimmten Punkt in einem Raum möglich ist. Dabei kann das magnetische Feld eindimensional aber auch dreidimensional ge­ messen werden. In gleicher Weise kann das elektrische Feld eindimensional oder dreidimensional gemessen werden.

In der deutschen Patentanmeldung P 197 57 705.9 des vorliegen­ den Anmelders wird weiterhin eine Vorrichtung zum Bestimmen der elektromagnetischen Gesamtbelastung beschrieben. Auf die beiden zuvor genannten Patentanmeldungen wird inhaltlich voll Bezug genommen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren bereitzustellen, mit dem eine isotrope Erfassung des E-Feldes möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der Patentansprü­ che.

Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, eine Kom­ pensation vorzusehen, mit der Meßungenauigkeiten korrigiert werden, die hervorgerufen werden durch Feldverzerrungen des elektrischen Feldes, das einen Feldsensor und eine damit ver­ bundene Meßvorrichtung aufweist. Die Kompensation ist insbe­ sondere erfolgreich zum Ausgleich von Meßungenauigkeiten, die bei einem dreidimensionalen E-Feldsensor und dem angeschlosse­ nen Auswertegerät, Anzeigeteil, Stromversorgung oder Magnet­ feldsensor auftritt. Die Erfindung ist sowohl bei einer akti­ ven Sonde, die auf einem Stativ oder Isoliersonde befestigt ist, als auch bei einem Handgerät anwendbar.

Je nach dem, wo sich das Meßgerät in bezug auf den Feldsensor räumlich befindet, ist eine Kompensation durch Veränderung bzw. Einstellung von einzelnen Komponenten des Handgerätes möglich. Diese Kombination gleicht insbesondere Meßfehler durch Feldverzerrungen aus, die bei einem E-Feldsensor auftreten, dessen Komponenten zum Gehäuse der Meßvorrichtung unsymmetrisch angeordnet sind. Bei einem Feldsensor mit einem Feldplattenpaar wird das von einer Feldplatte herrührende Signal derart eingestellt, daß eine isotrope Erfassung des E- Feldes erreicht wird. Es wurde festgestellt, daß in einem E- Feld eine Feldverzerrung dahingehend auftritt, daß an der Feldplatte, die weiter von der Meßvorrichtung entfernt ist, eine Feldüberhöhung und an der der Meßvorrichtung benachbarten zu dem Feldplattenpaar zugehörigen Feldplatte eine Felderniedrigung auftritt. Die Feldüberhöhung führt zu einem größeren Meßsignal, während die Felderniedrigung zu einem kleineren Meßsignal führt. Zur Kompensation dieser Feldveränderung wird das jeweilige Meßsignal verkleinert bzw. vergrößert. Dies erfolgt durch eine bzw. mehrere der im folgenden beschriebenen Maßnahmen.

Eine bevorzugte Möglichkeit zur Kompensation besteht darin, daß jeder Meßkanal oder zumindest ein Meßkanal, der zu einem Feldplattenpaar gehört, eine veränderbare Verstärkung auf­ weist. Auf diese Weise läßt sich das Meßsignal für diesen Meß­ kanal entweder vergrößern oder verkleinern. Gleichermaßen ist ein kapazitiver und/oder Ohmscher Spannungsteiler für eine Einstellung der Größe des Meßsignals geeignet. Als alternative Lösung oder zusätzlich kann jedes Meßsignal analogdigital ge­ wandelt werden und anschließend eine Kompensation durch mathe­ matische Berechnung durchgeführt werden. Als weitere Alterna­ tive oder zusätzliche Möglichkeit kann das Verhältnis der Größe der Feldplatten eines Feldplattenpaares so bestimmt wer­ den, daß das Meßsignal von jeder Feldplatte bereits korrigiert ist. Dabei wird die Lage der Feldplatten insbesondere in bezug auf das Gehäuse der Meßvorrichtung und die dadurch auftreten­ den Feldverzerrungen ausgeglichen.

Vorzugsweise wird ein Feldsensor verwendet, bei dem ein wür­ felförmiges Gehäuse aus elektrisch leitfähigem Material einen gegenüber elektrischen Feldern abgeschirmten Innenraum bildet und vorzugsweise getrennt durch einen Isolator auf jeder Wür­ felfläche die Feldplatte mit der gewählten Größe und Form an­ geordnet wird.

Alternativ zu einer würfelförmigen Anordnung der Feldplatten können die Feldplatten in Form von Kugelflächenabschnitten ge­ bildet sein, deren Größe und Anordnung so gewählt ist, daß eine dreidimensionale Erfassung eines E-Feldes isotrop, d. h. ohne Feldverzerrungen möglich ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kalibrierverfahren, bei der die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise so in ein homogenes E-Feld eingebracht wird, daß die Feldlinien senk­ recht auf die Feldplatten eines zu kalibrierenden Feldplatten­ paares gerichtet sind. Die an den Feldplatten auftretenden Spannungen werden gemessen und anschließend werden die Meßsignale durch Kompensation derart korrigiert, daß das E- Feld isotrop erfaßt wird. Vorzugsweise werden die genannten Schritte für jedes Feldplattenpaar wiederholt und die Kompen­ sation getrennt durchgeführt. Bevorzugt wird das elektrische Feld ein niederfrequentes Wechselfeld sein.

Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Magnetfeldsensor und eine zugehörige Meßvorrichtung auf, die bevorzugt Magnetfelder dreidimensional erfaßt, wobei eine An­ ordnung vorzugsweise eingesetzt wird, die in den früheren An­ meldungen PCT/EP97/01453, P 197 57 705.9 des Anmelders be­ schrieben sind. Dabei ist der Magnetfeldsensor innerhalb der Feldsensor-Plattenanordnung positioniert, wobei diese eine Ab­ schirmung gegen elektrische Felder im Innern bilden. Alterna­ tiv kann erfindungsgemäß der Magnetfeldsensor benachbart zum Sensor für das elektrische Feld angeordnet werden. Mit Hilfe der Kompensation werden Meßfehler ausgeglichen, die durch Störungen des elektrischen Feldes infolge des vorhandenen Magnetfeldsensors auftreten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine diagrammartige Darstellung einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Meßvor­ richtung,

Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm eines Meßkanals und

Fig. 4 einen Meßaufbau zum Durchführen eines erfindungsge­ mäßen Kalibrierverfahrens.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung mit einem Sensor 1, einer Meßvorrichtung 2 und einer stabförmigen Verbindung 3. Die Feldsonde weist eine würfelförmige Anordnung aus drei Feldplattenpaaren auf, die jeweils parallel angeordnete Feldplatten umfaßt. Im einzelnen ist von dem Feldplattenpaar Y die Feldplatte Y1 weiter von dem Meßgerät entfernt als die Feldplatte Y2. In gleicher Weise aber räumlich versetzt, ist die Feldplatte Z1 weiter entfernt von dem Meßgerät als die gegenüberliegende Feldplatte Z2. Die Feldplatten X1 und X2 (Feldplatte X2 ist verdeckt dargestellt) sind weitgehend symmetrisch in bezug auf das Meßgerät angeord­ net. Die stabförmige Verbindung 3 ist an einer Ecke des so ge­ bildeten Würfels angeordnet, wobei die Signalleitungen von den einzelnen Feldplatten durch die stabförmige Verbindung 3 zum Meßgerät 2 geführt werden. Dabei wird jeweils eine Signallei­ tung von einer Feldplatte an den Eingang eines zugehörigen Meßkanals angeschlossen. Die Meßvorrichtung ist in einem qua­ derförmigen Gehäuse angeordnet, das eine elektrische Abschir­ mung bildet, wobei die Abschirmung vorzugsweise mit Masse ver­ bunden ist. Zum Aufbau wird auf die PCT/EP97/01453 Bezug ge­ nommen.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild gezeigt, bei der die Feld­ platten X1, X2 mit einem zugehörigen Meßkanal in einer Meßein­ richtung 10X verbunden sind. Des gleichen sind die Feldplatten Y1, Y2 mit den zugehörigen Meßkanälen in der Meßeinrichtung 10Y und die Feldplatten 21, 22 mit den zugehörigen Meßkanälen der Meßeinrichtung 10Z verbunden. Die Ausgangssignale der Meßeinrichtungen werden an eine Auswerteeinrichtung 20 ange­ legt und das von der Auswerteeinrichtung ermittelte Ergebnis an eine Anzeige 30 geliefert. Die Auswerteeinrichtung 20 um­ faßt vorzugsweise Analog/Digitalwandler, und einen Mikropro­ zessor, der die digitalen Signale weiterverarbeitet. Vorzugs­ weise werden die Ausgangssignale quadriert, anschließend die Summe der Quadrate gebildet und dann die. Quadratwurzel der Summe berechnet. Außerdem erfolgt eine Skalierung. Das ska­ lierte Ergebnis wird an eine digitale Anzeige und/oder eine analoge Anzeige, beispielsweise in Form eines Balkendiagramms ausgegeben. Vorzugsweise wird dabei gemäß der früheren Pa­ tentanmeldung des Anmelders P 197 57 705.9 die elektromagneti­ sche Gesamtbelastung bestimmt. Hierzu ist zusätzlich zu den dargestellten elektrischen Meßeinrichtungen eine Magnetfeld­ meßeinrichtung vorzusehen, wobei die Magnetfeldsensoren vor­ zugsweise im feldfreien Raum angeordnet sind, der von den Feldplatten für die E-Feldmessung gebildet wird. Dabei sind die Magnetfeldsensoren mit den elektrischen Feldsensoren me­ chanisch und/oder elektrisch verbunden.

Fig. 3 zeigt eine Prinzipschaltung einer Meßeinrichtung 10X von Fig. 2. Die Meßeinrichtung 10Y und 10Z sind jeweils gleich aufgebaut. Der Eingangsanschluß X1 ist über einen kapazitiven Spannungsteiler mit einem ersten Kondensator C11 und einem zweiten Kondensator C12 an Masse angeschlossen. Weiterhin ist der Eingangsanschluß X1 über einen Ohmschen Spannungsteiler mit einem Widerstand R11 und einem Widerstand R12 an Masse an­ geschlossen. Ein Abgriffspunkt zwischen den Kondensatoren C11 und C12 und zwischen den Widerständen R11 und R12 ist gemein­ sam an den nicht-invertierenden Eingang eines ersten Verstär­ kers V11 angeschlossen. Der Ausgang des ersten Verstärkers V11 ist über einen Widerstand R13 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers verbunden und über einen weiteren Widerstand R14 ist der invertierende Eingang mit Masse verbunden. Der Ausgang des ersten Verstärkers ist über einen Widerstand R15 an dem nicht-invertierenden Eingang eines dritten Verstärkers V3 angeschlossen, dessen Ausgang über einen Widerstand R16 an den nicht-invertierenden Eingang angeschlossen ist.

In gleicher Weise ist der Eingangsanschluß X2 über einen kapa­ zitiven Spannungsteiler C21, C22 und Ohmschen Spannungsteiler R21, R22 an Masse angeschlossen. Von den Abgriffspunkten zwi­ schen den Kondensatoren und den Widerständen besteht eine Ver­ bindung zu dem nicht-invertierenden Eingang eines zweiten Ver­ stärkers V21. Dieser zweite Verstärker V21 ist mit den Wider­ ständen R23 und R24 beschaltet. Der Ausgang des zweiten Ver­ stärkers ist über einen weiteren Widerstand R25 mit dem inver­ tierenden Eingang des dritten Verstärkers verbunden, wobei der invertierende Eingang über einen Widerstand R26 mit Masse ver­ bunden ist.

Mindestens eine oder mehrere der Schaltungskomponenten der Meßeinrichtung 10X wird für jeden Meßkanal derart eingestellt, daß ein Meßsignal der zugehörigen Feldplatte derart korrigiert wird, das eine isotrope E-Feldmessung durchführbar ist. Vor­ zugsweise wird die Verstärkung des ersten Verstärkers V11 und/oder die Verstärkung des zweiten Verstärkers V21 derart eingestellt, daß ein zu großes Meßsignal verringert wird, oder ein zu kleines Meßsignal verstärkt wird. Dazu werden die Wi­ derstandswerte der zugehörigen Beschaltung, d. h. R13, R14 bzw. R23, R24, entsprechend ausgewählt. Ebenso, bzw. zusätzlich ist die Verstärkung der einzelnen Meßsignale jeweils getrennt am dritten Verstärker einstellbar, d. h. durch Wahl der Wider­ standswerte von R15, R16 für den Meßkanal X1 und Wahl der Wi­ derstandswerte R25, R26 für den Meßkanal X2. Alternativ bzw. zusätzlich ist eine Einstellung der Meßsignale durch Wahl der Kapazitätswerte der Kondensatoren C11, C12 und/oder der Wider­ standswerte R11, R12 bzw. C21, C22 und/oder R21, R22 möglich.

Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen, die hier nicht dargestellt sind, wird das Ausgangssignal des ersten Verstär­ kers V11 und des zweiten Verstärkers V21 direkt an die Auswer­ teeinrichtung 20 geliefert, jeweils analogdigital gewandelt und in der Auswerteeinrichtung die Kompensation durch mathema­ tische Berechnung durchgeführt.

Alternativ oder zusätzlich wird das Verhältnis der Größe jeder Feldplatte eines Feldplattenpaares so eingestellt, daß die Feldplatte, an der eine Feldüberhöhung auftritt, kleiner ist als die Feldplatte, an der eine Felderniedrigung auftritt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird eine Anordnung und ein Ver­ fahren zum Kalibrieren der erfindungsgemäßen Vorrichtung be­ schrieben. Zwischen zwei gegenüberliegenden Kalibrierplatten 41 und 42 wird ein im wesentlichen homogenes E-Feld ausgebil­ det, das durch die parallelen Linien angedeutet wird. In die­ ses homogene E-Feld wird die Meßvorrichtung so eingebracht, daß die Feldplatten jeweils eines Feldplattenpaares senkrecht zu den E-Feldlinien angeordnet sind. Im gezeigten Beispiel sind die Feldplatten Z1 und Z2 senkrecht zu den E-Feldlinien angeordnet. Das Meßgerät ist über die stabförmige Verbindung mit einer Ecke der würfelförmigen Anordnung des Feldsensors verbunden. Es ist hier schematisch in der Zeichenebene darge­ stellt. In dieser Anordnung wird vorzugsweise ein niederfre­ quentes Wechselfeld angelegt und die dabei auftretenden Meßsignale gemessen und anschließend korrigiert. In der hier dargestellten Anordnung entsteht aufgrund der Nähe des Meßge­ rätes zu dem Feldsensor eine Feldverzerrung, d. h. eine Feldüberhöhung an der Feldplatte Z1 und eine Felderniedrigung an der Feldplatte Z2. Diese Verzerrungen werden in der vorste­ hend beschriebenen Weise durch Änderung bzw. Auswahl der Feld­ plattengröße bzw. des Verhältnisses der beiden Feldplattengrö­ ßen durch Einstellen der Verstärkung innerhalb eines Meßkanals der Meßeinrichtung oder durch mathematische Berechnung kompen­ siert.

In einem weiteren Schritt wird die Meßvorrichtung derart in das E-Feld eingebracht, das beispielsweise die Feldplatten Y1 und Y2 senkrecht zu den E-Feldlinien angeordnet sind. Außerdem wird die Kompensation wie zuvor beschrieben, durchgeführt. In einem noch weiteren Schritt werden dann die Feldplatten X1, X2 senkrecht zu den E-Feldlinien ausgerichtet und die dabei auf­ tretenden Meßsignale ermittelt und kompensiert. Da in dem ge­ zeigten Beispiel die Feldplatten X1 und X2 weitgehend symmetrisch zu dem Meßgerät angeordnet sind, ist die Kompensa­ tion in der Regel in geringerem Maß erforderlich, als bei den anderen Feldplattenpaaren.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Kalibrierung der Meßvorrichtung möglich, wobei eine oder eine Kombination meh­ rerer obengenannten Kompensationsmaßnahmen verwendet wird. An­ ordnung und Abmessung der einzelnen Komponenten wie Größe und Form des Feldsensors sowie Größe und Form des Gehäuses für die Meßvorrichtung und Länge und Form der stabförmigen Verbindung lassen sich auf diese Weise individuell ausgleichen.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Messung elektrischer Felder, gekennzeich­ net durch,
einen Feldsensor mit mindestens einem Feldplattenpaar und einer Meßvorrichtung, die mit dem Feldsensor elektrisch leitend verbunden ist,
wobei die Meßvorrichtung jeweils einen Meßkanal aufweist, der mit einer zugehörigen Feldplatte verbunden ist, und ein Meßsignal von der angeschlossenen Feldplatte liefert, und
wobei eine Kompensation erfolgt, bei der mindestens ein Meßsignal derart korrigiert wird, daß ein E-Feld isotrop erfaßt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Meßkanal einen Verstärker aufweist, dessen Verstärkung einstellbar ist und das Meßsignal korrigierbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder Meßkanal einen Analog/Digitalwandler aufweist, der das gegebenen­ falls verstärkte analoge Meßsignal von einer Feldplatte digitalisiert und eine Recheneinrichtung die digitalisier­ ten Signale der beiden Feldplatten eines Feldplattenpaares kompensiert, in dem vorzugsweise mindestens ein digitali­ siertes Signal mit einem einstellbaren Faktor multipli­ ziert wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verhältnis der Größe der beiden Feldplatten eines Feld­ plattenpaares zueinander derart gewählt wird, daß eine Kompensation der Meßsignale erreicht wird, die durch Feld­ verzerrungen des elektrischen Feldes infolge der Anordnung aus Feldsensor und Meßvorrichtung hervorgerufen wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Meßvorrichtung eine Einrichtung zur elektronischen Kompen­ sation aufweist, mit der insbesondere eine unsymmetrische Anordnung der Feldplatten in bezug auf die Meßvorrichtung kompensiert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Verstärkung in ei­ nem Meßkanal, der mit der Feldplatte verbunden ist, die von der Meßvorrichtung weiter entfernt ist, kleiner ist als die Verstärkung im Meßkanal der mit der anderen Feld­ platte verbunden ist, die zu diesem Feldplattenpaar ge­ hört.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Feldsensor drei Feldplattenpaare aufweist, die so angeord­ net sind, daß sie in den Flächen eines Würfels liegen, wo­ bei die Meßvorrichtung in einem elektrisch leitfähigen Ge­ häuse angeordnet ist und dieses Gehäuse über einen Stab, vorzugsweise im Bereich einer Ecke der würfelförmigen An­ ordnung angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Feldsensor drei Feldplattenpaare aufweist, die jeweils von Kugelflächenabschnitten gebildet werden, die gemeinsam ei­ nen kugelförmigen Feldsensor bilden, wobei die Meßvorrich­ tung in einem elektrisch leitfähigen Gehäuse angeordnet ist und dieses Gehäuse über einen Stab mit dem kugelför­ migen Feldsensor verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Meßsignal von der Feldplatte eines Feldplattenpaares, die von dem Gehäuse weiter entfernt liegt, zum Ausgleich einer auftre­ tenden Feldüberhöhung an dieser Feldplatte verkleinert wird und das Meßsignal von der anderen Feldplatte zum Aus­ gleich einer Felderniedrigung vergrößert wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Magnetfeldsensor und einer zugehörigen Meßvorrichtung, vorzugsweise zur dreidimensionalen Erfassung eines Magnet­ feldes.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Magnetfeldsensor innerhalb eines würfelförmigen oder kugelförmigen Feldsen­ sors angeordnet ist, wobei die Feldplattenanordnung das Innere des Feldsensors gegen elektrische Felder abschirmt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Magnetfeldsensoren außerhalb des elektrischen Feldsensors angeordnet sind und mit diesem mechanisch und/oder elektrisch verbunden sind.

13. Verfahren zum Kalibrieren insbesondere der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Vorrichtung so in ein vorzugsweise homogenes E-Feld eingebracht wird, daß die Feldlinien senkrecht auf die Feldplatten eines zu kalibrierenden Feldplattenpaares gerichtet sind, die an den Feldplatten auftretenden Spannungen gemessen werden und anschließend die Meßsignale durch Kompensation derart korrigiert werden, daß das E-Feld isotrop erfaßt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Schritte für jedes Feldplattenpaar wiederholt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das elektrische Feld ein niederfrequentes Wechselfeld ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei nach dem Kalibrieren der Vorrichtung ein elektrisches Feld vor­ zugsweise dreidimensional erfaßt und gemessen wird und vorzugsweise gleichzeitig ein magnetisches Feld dreidimen­ sional erfaßt und gemessen wird.