Elektrisches Wechselspannungsprüfgerät
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Wechselspannungsprüfgerät mit in einem Isoliergehäuse angeordneten Verstärker- und Anzeigeorganen.
Es sind bereits Spannungsprüfgeräte für einpolige Messungen als auch andere für zweipolige Messungen bekannt. Bei der einpoligen Messung wird der Strom zwischen dem Spannungsprüfgerät, das an dem zu prüfenden Leiter liegt und Erde und bei der zweipoligen Messung derjenige zwischen dem Spannungsprüfgerät, das an dem zu prüfenden Leiter liegt und einem zweiten Leiter bzw. Phase als Signal ausgewertet.
Bei der einpoligen Messung wird verlangt, dass schon bei kleiner Spannung ein genügend grosser Strom zwischen dem Spannungsprüfgerät, das an dem zu prüfenden Leiter liegt und Erde fliesst, d.h. die Kapazität zwischen dem Spannungsprüfgerät und Erde muss möglichst gross sein. Andererseits soll die Kapazität zwischen dem Spannungsprüfgerät und einer benachbarten Phase unwirksam klein sein. Der Grund ist der folgende: Es sei angenommen, der zu prüfende Leiter habe gegen Erde keine Spannung, hingegen sei in der Nähe ein zweiter unter Spannung stehender Leiter vorhanden. Ist nun die Kapazität zwischen Spannungsprüfgerät und Nachbarleitung nicht klein genug, so wird im Gerät Spannung angezeigt. Es gibt also eine Fehlanzeige, indem Spannung angezeigt wird, obwohl auf dem zu prüfenden Leiter keine solche vorhanden ist.
Bei der zweipoligen Messung wird verlangt, dass schon bei kleiner Spannungsdifferenz ein genügend grosser Strom zwischen dem Spannungsprüfgerät, das an dem zu prüfenden Leiter liegt und der zweiten Phase fliesst, d.h. die Kapazität zwischen Spannungsprüfgerät und zweiter Phase muss möglichst gross bzw. der Widerstand möglichst klein sein. Hingegen muss die Kapazität zwischen Spannungsprüfgerät und Erde unwirksam klein sein. Der Grund ist der folgende: Es sei angenommen, dass an beiden Phasen eine gewisse Spannung gegen Erde vorhanden sei, der Phasenwinkel zwischen den beiden sei aber Null.
Die Spannungsdifferenz ist also Null. Ist nun die Kapazität zwischen Spannungsprüfgerät und Erde nicht klein genug, so fliesst ein Strom gegen Erde, und es wird Phasenungleichheit angezeigt. Es gibt also eine Fehlanzeige, indem Phasenungleichheit angezeigt wird, obwohl beide Phasen gleich sind.
Aus diesen Gründen ist es nicht ohne weiteres möglich, Spannungsprüfer als kombinierte Prüfgeräte zu bauen, mit welchen also sowohl einpolige als auch zweipolige Prüfung durchführbar sind, da von einem solchen Prüfgerät Eigenschaften verlangt werden, die sich teilweise zuwiderlaufen.
Die Erfindung, mit der dieses Problem gelöst wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass sich im Gehäuse eine gegen den Geräthalter hin offene, haubenartige, elektrisch leitende metallische Abschirmung befindet, um die Verstärker- und Anzeigeorgane bei einpoliger Prüfung gegen vom zu prüfenden Leiter benachbarte, unter Spannung stehende Leiter abzuschirmen, und ein Umschalter vorhanden ist zur elektrischen Verbindung einer elektrisch leitenden, metallischen Schicht der Gehäusebodenplatte mit der haubenartigen Abschirmung, um die Verstärkerund Anzeigeorgane bei der zweipoligen Prüfung gegen Erde abzuschirmen.
Dadurch gelingt es, das Gerät für beide Messarten verwendbar zu machen.
Bei der einpoligen Prüfung bewirkt die haubenartige Abschirmung somit, dass die Kapazität gegen Erde vergrössert und gegen Nachbarleiter verkleinert wird.
Anderseits erreicht man mit der Umschaltung, dass bei der zweipoligen Messung die elektronischen Bauteile in einen Faraday-Käfig zuliegen kommen und dadurch die Kapazität gegen Erde nahezu Null wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Gerät,
Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild,
Fig. 3 ein elektrisches Blockschaltbild.
An einem Gehäuse 1 aus schlagfestem Kunststoff ist eine metallische Prüfelektrode 2 auswechselbar befestigt.
In das Innere des unten offenen Gehäuses 1 ist eine Einschubeinheit 2 eingesetzt. Das tragende Element dieser Einschubeinheit 3 ist ein Bodenstück 4 aus Isolierstoff, der auf seiner Oberseite einen Metallbelag 5 aufweist. Das Bodenstück 4 besitzt Aussparungen für die Anzeigelampe 6 und die Prüftaste 7. An diesem Bodenstück 4 sind Batteriegehäuse für zwei Trockenbatterien, die Tragplatte 9 für die gedruckte Schaltung mit den elektronischen Bauelementen sowie ein Umschalter 10 und ein Deckel 11 befestigt. Zwischen dem Bodenstück 4 und dem Deckel 11 ist ein als Mantelabschirmung dienendes Metallrohr 12 eingesetzt. Der aus Kunststoff bestehende Deckel 11 ist mit einem Metallbelag 13 versehen, der mit dem Metallrohr 12 in elektrisch leitender Verbindung steht, so dass dieser zusammen mit dem Metallrohr 12 eine haubenförmige Abschirmung ergibt.
Die elektrische Verbindung zwischen Prüfelektrode 2 und der Einschubeinheit 3 wird durch einen Federstift 14 hergestellt.
Je nach Verwendungsart des Gerätes wird ein zum Aufsetzen auf eine Stange geeignetes rohrförmiges Kupp lttngsstück 15 mit oder ohne stirnseitige Ringnut 16 gewählt, wodurch der Schaltstift 17 des Umschalters 10 an die eine oder andere Schaltlage gebracht wird. Dieser Umschalter 10 bewirkt, dass der Metallbelag des Bodens mit der haubenförmigen Abschirmung für einpolige Messung elektrisch getrennt oder für zweipolige Messungen in elektrisch leitende Verbindung gebracht wird.
Die Wirkungsweise beruht auf folgendem Prinzip: Massgebend für den kapazitiven Verschiebestrom zwischen der Haubenabschirmung und einem benachbarten spannungsführenden Leiter ist das elektrische Feld zwischen diesen. Je kürzer die Strecke der gedachten Feldlinie von der Deckelabschirmung zum Nachbarleiter ist, desto grösser ist der Verschiebestrom. Es liegt in der Natur der Feldlinien, dass sie mit gleichmässiger Krümmung verlaufen, dass sie immer senkrecht zur Oberfläche eines Leiters stehen und dass sie einen Leiter niemals durchdringen. Der Verlauf der elektrischen Feldlinien von der Haubenabschirmung zum Nachbarleiter wird also zunächst senkrecht zum Boden nach unten sein, um dann auf einem weiten Bogen zum Nachbarleiter zu gelangen. Aus diesem Feldverlauf ergibt ich, dass der Störeinfluss eines räumlich benachbarten Leiters infolge dieser Abschirmung sehr gering wird.
Bei der Verwendung als zweipoliger Prüfer wird ein Anschlussstück 15 ohne Ringnut 16 verwendet, wodurch die Bodenabschirmung mittels des Schaltstiftes 17 und des SchaTters 10 elektrisch an die Haubenabschirmung gelegt und die elektronischen Bauteile über die Kontaktfeder 18 und den Schraubbolzen 19 mittels eines Kabels, welches kapazitiv an den Schraubbolzen 19 angeschlossen ist, hochohmig mit dem zweiten Pol verbunden. Durch diese Schaltungsart wird die Kapazität gegen Erde im Idealfall Null. In der Praxis ist dies aber nicht möglich, da nicht ideal abgeschirmt werden kann (Lampe, Drucktaste). Es genügt aber, die Kapazität gegen Erde auf einen solchen Wert zu reduzieren, dass der zu prüfende Leiter im 2-poligen Spannungsbereich die Spannung gegen Erde nicht mehr anzeigt.
Damit eine eindeutige Anzeige schon bei kleinen Spannungen sichergestellt werden kann, wird das Signal elektronisch verstärkt. Als eigentliche Anzeige dient die Lampe 6, die bei angelegter Spannung blinkt.
Mittels einer Prüftaste 7 ist es möglich, die ganze Elektronik inkl. Batterien und Lampe auf einwandfreies Funktionieren zu prüfen. Dies kann aber auch, soweit vorhanden, direkt am 220-V-Netz geschehen. Dazu wird die Prüfelektrode 2 an Phase gelegt und gleichzeitig das Bodenstück 4 von Hand berührt.
Damit die Batterien nicht unnötigerweise belastet werden, indem zu früh ein- oder zu spät bzw. gar nicht ausgeschaltet wird, wird das Ein- und Ausschalten elektronisch durchgeführt. Das ganze Gerät schaltet sich nämlich erst in dem Moment selbsttätig ein, wenn Spannung angezeigt werden soll. Auch schaltet es sich automatisch wieder aus, wenn keine Spannung mehr angezeigt wird. Der Strom, der als Signal dient, fliesst durch die Emitterbasisstrecke einer ersten Verstärkerstufe (siehe Fig. 3). Eine Schaltung mit einer Zenerdiode am Eingang verhindert, dass bei hohen Spannungen der Basisstrom zu gross werden kann. Anschliessend an eine zweite Verstärkerstufe wird das Signal gleichgerichtet und nochmals verstärkt. Diese dritte Stufe steuert einen Längstransistor an, welcher den Rest der Elektronik einschaltet.
Dadurch wird ein astabiler Multivibrator an Spannung gelegt, der seinerseits über einen Treiber die Lampe einschaltet. Die Repetitionszeit des Multivibrators beträgt zirka 0,7 Sekunden. Lampenstrom fliesst zirka während zwei Drittel dieser Zeit. Der grosse Vorteil des elektronischen Schalters wird dadurch ermöglicht, dass dauernd ein sehr kleiner Reststrom bis zum Längstransistor fliesst
Als Spannungsquelle dienen zwei handelsübliche Trockenbatterien à 1,5 V, die in Serie geschaltet sind. Im weitgehend entladenen Zustand der Batterie funktioniert die Elektronik immer noch, aber die Helligkeit der Lampe wird so schwach, dass sie nicht mehr genügend gut wahrgenommen werden kann.
Dieses Gerät ist für Spannungen bei einpoliger Messung bis 380 kV und bei zweipoliger Messung bis 24 kV geeignet.
Electrical AC voltage tester
The invention relates to an electrical AC voltage tester with amplifier and display elements arranged in an insulating housing.
Voltage testing devices for single-pole measurements as well as others for two-pole measurements are already known. With the single-pole measurement, the current between the voltage tester, which is connected to the conductor to be tested and earth, and with the two-pole measurement, the current between the voltage tester, which is connected to the conductor to be tested and a second conductor or phase, is evaluated as a signal.
In the case of single-pole measurement, it is required that, even with a low voltage, a sufficiently large current flows between the voltage tester, which is connected to the conductor to be tested, and earth, i.e. the capacitance between the voltage tester and earth must be as large as possible. On the other hand, the capacitance between the voltage tester and an adjacent phase should be ineffective small. The reason is as follows: Assume that the conductor to be tested has no voltage to earth, but that there is a second live conductor nearby. If the capacitance between the voltage tester and the neighboring line is not small enough, voltage is displayed in the device. So there is a false indication in that voltage is displayed although there is no such voltage on the conductor to be tested.
With the two-pole measurement, it is required that even with a small voltage difference a sufficiently large current flows between the voltage tester, which is connected to the conductor to be tested, and the second phase, i.e. the capacitance between the voltage tester and the second phase must be as large as possible and the resistance as small as possible. In contrast, the capacitance between the voltage tester and earth must be ineffective small. The reason is as follows: It is assumed that there is a certain voltage to earth on both phases, but the phase angle between the two is zero.
The voltage difference is therefore zero. If the capacitance between the voltage tester and earth is not small enough, a current flows to earth and a phase imbalance is displayed. So there is a false indication that phase inequality is displayed even though both phases are the same.
For these reasons, it is not easily possible to build voltage testers as combined test devices, with which both single-pole and two-pole tests can be carried out, since properties of such a test device are required that sometimes contradict each other.
The invention, with which this problem is solved, is characterized in that in the housing there is a hood-like, electrically conductive metallic shield open towards the device holder, in order to underneath the amplifier and display elements during single-pole testing against the conductor to be tested To shield live conductors, and a changeover switch is available for the electrical connection of an electrically conductive, metallic layer of the housing base plate with the hood-like shield in order to shield the amplifier and display elements from earth during the two-pole test.
This makes it possible to make the device usable for both types of measurement.
In the case of single-pole testing, the hood-like shielding means that the capacitance is increased with respect to earth and decreased with respect to the neighboring conductor.
On the other hand, with the switchover one achieves that with the two-pole measurement the electronic components are placed in a Faraday cage and thus the capacitance to earth is almost zero.
An exemplary embodiment of the subject matter of the invention is shown in the drawing. Show it:
1 shows a longitudinal section through the device,
2 shows an electrical circuit diagram,
3 shows an electrical block diagram.
A metallic test electrode 2 is attached to a housing 1 made of impact-resistant plastic and can be replaced.
A slide-in unit 2 is inserted into the interior of the housing 1, which is open at the bottom. The supporting element of this slide-in unit 3 is a base piece 4 made of insulating material, which has a metal covering 5 on its top. The bottom piece 4 has recesses for the indicator lamp 6 and the test button 7. Battery housings for two dry batteries, the support plate 9 for the printed circuit with the electronic components and a switch 10 and a cover 11 are attached to this bottom piece 4. A metal tube 12 serving as a jacket shield is inserted between the base piece 4 and the cover 11. The cover 11, which is made of plastic, is provided with a metal coating 13 which is in an electrically conductive connection with the metal tube 12, so that this together with the metal tube 12 results in a hood-shaped shield.
The electrical connection between the test electrode 2 and the slide-in unit 3 is established by a spring pin 14.
Depending on the type of use of the device, a suitable tubular coupling piece 15 with or without an annular groove 16 on the end face is selected so that the switch pin 17 of the switch 10 is brought to one or the other switching position. This changeover switch 10 has the effect that the metal covering of the floor with the hood-shaped shield is electrically separated for single-pole measurements or is brought into an electrically conductive connection for two-pole measurements.
The mode of operation is based on the following principle: The electrical field between them is decisive for the capacitive displacement current between the hood shield and an adjacent live conductor. The shorter the distance of the imaginary field line from the cover shield to the neighboring conductor, the greater the displacement current. It is in the nature of the field lines that they run with a uniform curvature, that they are always perpendicular to the surface of a conductor and that they never penetrate a conductor. The course of the electric field lines from the hood shield to the neighboring conductor will initially be perpendicular to the ground and then to reach the neighboring conductor on a wide arc. From this field profile, I can see that the interference from a spatially adjacent conductor is very low as a result of this shielding.
When used as a two-pole tester, a connector 15 without an annular groove 16 is used, whereby the bottom shielding is electrically connected to the hood shielding by means of the switching pin 17 and the switch 10 and the electronic components are connected to the hood shielding via the contact spring 18 and the screw bolt 19 by means of a cable which is capacitive the screw bolt 19 is connected, connected with high resistance to the second pole. With this type of connection, the capacitance to earth is ideally zero. In practice, however, this is not possible because it is not ideally shielded (lamp, pushbutton). However, it is sufficient to reduce the capacitance to earth to such a value that the conductor to be tested in the 2-pole voltage range no longer indicates the voltage to earth.
The signal is electronically amplified so that a clear display can be ensured even with low voltages. The actual display is the lamp 6, which flashes when voltage is applied.
By means of a test button 7, it is possible to test the entire electronics including batteries and lamp for proper functioning. However, if available, this can also be done directly on the 220 V network. For this purpose, the test electrode 2 is connected to phase and at the same time the bottom piece 4 is touched by hand.
Switching on and off is carried out electronically so that the batteries are not unnecessarily burdened by switching on too early or too late or not at all. The whole device only switches itself on at the moment when voltage is to be displayed. It also switches itself off again automatically when no more voltage is displayed. The current that serves as the signal flows through the emitter base path of a first amplifier stage (see FIG. 3). A circuit with a Zener diode at the input prevents the base current from becoming too high at high voltages. Following a second amplifier stage, the signal is rectified and amplified again. This third stage controls a series transistor, which switches on the rest of the electronics.
This applies voltage to an astable multivibrator, which in turn switches on the lamp via a driver. The repetition time of the multivibrator is approximately 0.7 seconds. Lamp current flows for around two thirds of this time. The great advantage of the electronic switch is made possible by the fact that a very small residual current flows continuously to the series transistor
Two commercially available dry batteries à 1.5 V, which are connected in series, serve as the voltage source. When the battery is largely discharged, the electronics still work, but the brightness of the lamp becomes so weak that it can no longer be perceived well enough.
This device is suitable for voltages with single-pole measurement up to 380 kV and with two-pole measurement up to 24 kV.