Berührungslose Messung von Hochspannung im Bereich von 10 kV

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mrairstone
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Berührungslose Messung von Hochspannung im Bereich von 10 kV

Beitrag von mrairstone »

Hallo liebe Community,

ich bin neu hier im Forum und durch verschiedene Suchen auf Google in dieses Forum gelangt.

Aktuell sitze ich an einem Projekt, zur Messung von Hochspannungsimpulsen.
EDIT 01.05.23:
Ich habe diesen Thread mal um die Leistungsdaten erweitert, da ich diese Angaben auf die schnelle nicht zu Hand hatte.

Maximale Werte des Weidezaungerätes:
Max. Entladeenergie: 1,10 J
Max. Zaunspannung bei 500 Ohm Last: 5900 V
Max. Ausgangsspannung bei Leerlauf: 11400 V
Abstand zwischen den Impulsen: 1,5 Sekunden
Länger der Stromimpulse: ca. 1,5 ms
Ich hatte bereits eine Lösung via Operationsverstärker mit Spannungsteiler bei der die Messung relativ zuverlässig funktionierte. Die Spannungswerte wurden dann mit einem ADC-Konverter und µC ausgewertet, ein Mittelwert gebildet und an ein UMTS Modul gesendet. Jedoch haben die magnetischen Felder das SIM Modul häufig neu starten lassen, sodass gefühlt nur jede 100. Messung auch übertragen wurde.

Zum Hintergrund:
Ich habe mir ein kleines stromsparendes Modul auf Basis eines ESP32 mit ADS1115 und SIM800L hergestellt, welches die Spannung einer 12 V Batterie und einige Umgebungsparameter wie Temperatur, Luftfeuchte, etc. ausließt und mir dann die Werte alle 15 Minuten an meinen Server sendet.

Bei der zu überwachenden Anlage handelt es sich um einen Weidezaun.

Aktuelle Idee:
Mein aktueller Ansatz ist nun, die Hochspannung über das Magnetfeld der Hochspannung zu messen und somit keine direkte Verbindung zum Spannungsführenden Draht zu haben, indem das Messmodul über 5mm Plexiglas von dem Spannungsführenden Draht isoliert ist.
Den Denkanstoß bekam ich über ein kleines Handgerät, welches die Spannung berührungslos misst und im inneren eigentlich nur aus einem Microcontroller besteht, welcher aber leider nicht definierbar ist, da die Bezeichnung abgeschliffen ist.

Hat jemand von Euch evtl. eine Idee, wie ich den positiven und negativen Ausschlag des Sinus erfassen kann?
Die Messung muss nicht auf den Volt genau sein, es geht lediglich darum, größere Abweichungen im Sinus zur Messen.

Vielen Dank.
Liebe Grüße
Zuletzt geändert von mrairstone am Mo 1. Mai 2023, 04:44, insgesamt 1-mal geändert.
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kilovolt
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Re: Berührungslose Messung von Hochspannung im Bereich von 10 kV

Beitrag von kilovolt »

Hallo mrairstone

Ich denke weniger, dass die von dir beschriebenen Probleme vom elektrischen oder magnetischen Feld kommen. Vermutlich ist es eher ein Problem einer floatenden Speisung. Bei Messungen mit Hochspannung und insbesondere Kondensatorentladungen ist es wichtig, ein gutes Erdungskonzept zu haben. Ich würde daher schauen, dass der Fusspunkt der Hochspannung sauber geerdet ist und jeder GND-Punkt der auswertenden Schaltung ebenfalls, am besten sternförmig. Ist dies nicht der Fall, dann zieht es dir im Takt der Entladungen den GND der Niederspannungsversorgung auf hohes Potential und dies verursacht dann die Abstürze des Controllers. Für solch kleine Ströme im µA-Bereich ist eine Direktmessung mit Teiler das beste.

Beste Grüsse
kilovolt
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Re: Berührungslose Messung von Hochspannung im Bereich von 10 kV

Beitrag von mrairstone »

Hallo kilovolt,

vielen Dank für deine Antwort.

Bei dem damaligen Tests war der Erder des Zauns mit GND der Schaltung verbunden. Ich werde jetzt gleich aber noch einmal die Planie prüfen, ob dort evtl. ein Problem vorliegt.

Gruß
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Prof. Radon
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Re: Berührungslose Messung von Hochspannung im Bereich von 10 kV

Beitrag von Prof. Radon »

Klingt nach einer interessanten Messaufgabe...
Schade, dass du uns den genauen Zweck und bisherigen Aufbau der Schaltung nicht zeigen möchtest?
Hört sich ein bisschen danach an, als ob du nicht nur wissen willst ob der Elektronzaun gerade funktioniert sondern auch, ob gerade eine Kuh drin hängt? Was ist der genaue Hintergrund?
Mit 20 µA meinst du die maximal Last, die der Messeingang verursachen soll? Also Eingangsimpedanz größer 500 MΩ?

Ich würde es mit einem kapazitiven (!) Spannungsteiler versuchen. Oberes Ende könnte im einfachsten Fall einfach aus einem Kabel bestehen welches du eine definierte Länge parallel zum Koppelzaun führst. Also zum Beispiel 2 m 20 kV HV-Litze, von der du genau 1 m mit Kabelbindern direkt an den Koppelzaun befestigst und den anderen Meter für die Verbindung mit deinem Messaufbau benutzt. Daraus ergibt sich dann irgendeine Kapazität im pF - Bereich. Unten ran dann eine zweite Kapazität um auf den gewünschten Spannungsteiler zu kommen (experimentell ermitteln) und zwischen die untere Kapazität und den µC dann noch einen OPV für eine hohe Eingangsimpedanz. Eigentlich müsste da ein 0815 OPV ausreichen, wenn du auf Nummer Sicher gehen willst, nimm einen Isolationsverstärker wie den AMC1200 von TI. Wenn du positive und negative Signale sehen willst, darfst du den Eingang natürlich nicht auf die Masse der Messschaltung beziehen sondern musst das irgendwie schwebend aufbauen. So nach dem Motto: Ausgang am OPV bei 0 V = 1,65 V, bei +10 kV = 2,65 V, bei -10 kV 0,65 V. Wenn es wirklich ein Sinus ist, sollte es auch keine großen Probleme mit EMV wegen steiler Flanken geben.

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Re: Berührungslose Messung von Hochspannung im Bereich von 10 kV

Beitrag von mrairstone »

Prof. Radon hat geschrieben: So 30. Apr 2023, 05:55 Mit 20 µA meinst du die maximal Last, die der Messeingang verursachen soll? Also Eingangsimpedanz größer 500 MΩ?
Bei den 20 µA hatte ich einen Fehler in meinen Aufzeichnungen.
Die Stromstärke auf dem Weidezaun liegt im Kurzschlussfall bei ca. 48 mA, ich habe den Anfangsthread korrigiert, da ich die Daten vergessen hatte.
Leider kann ich den Impulsstrom nicht genau messen, da ich kein Messgerät habe, welches Impulse im einstelligen Millisekundenbereich bei der hohen Spannung messen kann.

Die Schaltung soll zum einen erfassen, ob der Zaun noch arbeitet und ob evtl. ein Schaf mit den Hörnern drin hängt oder ob der Bewuchs am Zaun zu stark ist, da einzelne Bereiche mit Weidenetzen abgeteilt sind und es fast unmöglich ist, diese ohne Kontakt zu einzelnen Grashalmen aufzustellen.
Aber der Wichtigste Grund ist einfach, ist der Schutz der Tiere und keines im Zaun hängt, da das Gelände sehr unübersichtlich ist.
(Auch wenn die eigentlich großen Respekt vor dem Zaun haben und sich davon fern halten.)

Die kapazitive Lösung mit der HV-Litze klingt da schon sehr interessant.

Mein aktueller Aufbau basiert auf dieser Schaltung:
https://github.com/kiu/lofence/blob/mas ... schema.pdf
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VDX
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Re: Berührungslose Messung von Hochspannung im Bereich von 10 kV

Beitrag von VDX »

... warum eigentlich der ganze Aufwand? - reicht nicht ein normales "Eelktrozaun-Meßgerät"?

https://www.amazon.de/s?k=elektrozaun+m ... _sb_noss_1

Viktor
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Alexander470815
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Re: Berührungslose Messung von Hochspannung im Bereich von 10 kV

Beitrag von Alexander470815 »

mrairstone hat geschrieben: Mo 1. Mai 2023, 05:32 Leider kann ich den Impulsstrom nicht genau messen, da ich kein Messgerät habe, welches Impulse im einstelligen Millisekundenbereich bei der hohen Spannung messen kann.
Der Strom auf Hochspannungs und Masse Seite ist identisch.
Von daher kann man auch einfach am "kalten" Ende messen.
Dann reicht prinzipiell schon ein einfacher Widerstand an dem man die Spannung misst und diese in die Gleiche OPV Schaltung schickt.
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kilovolt
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Re: Berührungslose Messung von Hochspannung im Bereich von 10 kV

Beitrag von kilovolt »

Ein Kurzschlusstrom von 48mA fände ich dann aber schon alarmierend hoch ;-) Meintest du nicht 48µA?

Gruss kilovolt
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Alexander470815
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Re: Berührungslose Messung von Hochspannung im Bereich von 10 kV

Beitrag von Alexander470815 »

kilovolt hat geschrieben: Mo 1. Mai 2023, 09:15 Ein Kurzschlusstrom von 48mA fände ich dann aber schon alarmierend hoch Meintest du nicht 48µA?
Das kommt schon hin mit den 48mA.
Sowas zwiebelt richtig wenn man da rein fasst.
Mit 48µA wird sich wohl kein Tier beeindrucken lassen.

Sowas hat Ladeenergien von mehreren Joule.
Bei den kurzen Impulsdauern kommt da schon ein bisschen Strom zusammen.

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Re: Berührungslose Messung von Hochspannung im Bereich von 10 kV

Beitrag von mrairstone »

kilovolt hat geschrieben: Mo 1. Mai 2023, 09:15 Ein Kurzschlusstrom von 48mA fände ich dann aber schon alarmierend hoch ;-) Meintest du nicht 48µA?

Gruss kilovolt
Der maximal zulässige Strom (sofern ich mich nicht verlesen habe) darf max. 250 mA betragen. Jedoch darf der Impuls nur max. 3 ms lang sein und die Gesamtenergie darf nicht höher als 5 Joule sein. Wobei ich noch kein Gerät gesehen habe, dass diese Leistung auf den Zaun bringt.
Alles was größer ist, wird dann als Tötungszaun eingestuft. (Ich brauche meine Tiere aber noch, daher nutze ich kein großes Weidezaungerät, sondern nur 1,1 Joule)

Gruß

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Re: Berührungslose Messung von Hochspannung im Bereich von 10 kV

Beitrag von mrairstone »

Ich werde mich nachher mal mit dem kapazitiven Spannungsteiler befassen, jedoch muss ich mich erst einmal grob in das Thema einlesen.
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Thunderbolt
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Re: Berührungslose Messung von Hochspannung im Bereich von 10 kV

Beitrag von Thunderbolt »

Alexander470815 hat geschrieben: Mo 1. Mai 2023, 08:38
mrairstone hat geschrieben: Mo 1. Mai 2023, 05:32 Leider kann ich den Impulsstrom nicht genau messen, da ich kein Messgerät habe, welches Impulse im einstelligen Millisekundenbereich bei der hohen Spannung messen kann.
Der Strom auf Hochspannungs und Masse Seite ist identisch.
Von daher kann man auch einfach am "kalten" Ende messen.
Dann reicht prinzipiell schon ein einfacher Widerstand an dem man die Spannung misst und diese in die Gleiche OPV Schaltung schickt.
Ist in dem fall 'ne spannungsmessung überhaupt notwendig?

man könnte doch einfach GND-Seitig den Strom messen und auf 'n Komparator geben, der einen Impuls liefert, wenn x mA überschritten sind, damit könnte man dann im Mikrocontroller einfach einen Interrupt triggern.
per DAC (oder PWM + Tiefpass) könnte man die schwelle auch einstellbar machen
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Prof. Radon
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Re: Berührungslose Messung von Hochspannung im Bereich von 10 kV

Beitrag von Prof. Radon »

Hab gerade mal den Schaltplan überflogen und äh... haha, oh wow! Extra ein OPV für positive Spannungen und ein weiterer OPV für negative Spannungen - das hab ich noch nicht gesehen. Ist als würde man ein Auto mit zwei Motoren entwerfen: einen zum Vorwärts- und einen zum Rückwärts- fahren, weil man keinen Bock hat sich mit dem Getriebe zu befassen. Kann man so machen, ist aber kein guter Stil.
Der Spannungsteiler mit dem er den Batteriestand überwacht ist auch völlige Grütze: die Widerstände sind viel zu klein, mit dieser Parametrisierung verpulvert der da ständig 8 mA... nee warte, er schaltet BATGND offenbar über den µC, okay wenn der Eingang 5 V abkann und da noch keine Freilaufdioden im µC kommen, kann man das so machen. Okay, habe das gerade im Datenblatt vom ATmega328PB nachgeschaut und nein, maximale Eingangsspannung ist VCC+0,5 V also 3,8 V. Diese 18650 Zellen haben eine Ladeschlussspannung von 4,2 V, würde der Akku also mit 0,4 V in die Freilaufdiode des Mikrocontrollerports reindrücken. Gut, könnte man argumentieren, vorne ist ja irgendwo noch D1 wo nochmal ca 0,4 V abfallen und dann passt es gerade so. Aber es ist wirklich sehr knapp und kein guter Stil.

Also die Schaltung bekommen wir auf jeden Fall besser hin...
Da du einen anderen µC genommen hast, gehe ich davon aus, dass du in eingebetteter Programmierung fit bist? Gerade von diesem ganzen Funkgedöns hab ich keinen Plan, da kann ich dir nicht helfen (bzw. würde das in Arbeit ausarten). Aber dir restliche Hardware, da kenn ich mich aus.

Also zum kapazitiven Spannungsteiler: das ist ganz billig. Wenn du einen Spannungsteiler aus zwei Kapazitäten hast, fällt die Spannung im umgekehrten Verhältnis der Kapazitäten über die zwei Kondensatoren ab. Wenn du 10 V an zwei gleichgroße Kondensatoren in Reihe anlegst, etwa 2x 5 nF fallen über beide Kondensatoren 5 V ab. Ganz einfach. Wenn du nun 9 nF und 1 nF in Reihe schaltest, hast du 9 V über 1 nF und 1 V über 9 nF (also einfach nur genau umgekehrt wie bei einem ohmschen Spannungsteiler, weil die Impedanz von Kondensatoren irgendwas mit hoch minus 1 ist). Der Haken an der Geschichte ist, dass es nur mit Wechselspannung gut funktioniert - bei Gleichspannung läuft die Spannung am unteren Kondensator weg, weil du den ja mit der Messung belastest woraus sich eine Asymmetrie ergibt. Aber wir haben ja Wechselspannung und einen OPV, also sehr hoher Eingangswiderstand. Vorteil ist, dass der untere Kondensator keine so hohe Spannungsfestigkeit haben braucht wie der obere und die meiste Spannung über den oberen, kleinen Kondensator abfällt - was den dann schön billig macht. Super genau wird die Messung wohl nicht, weil Kondensatoren generell höhere Toleranzen haben als Widerstände. Aber ich schätze mal, 10% sind locker drin, 5% sollten zu schaffen sein, eventuell sogar 1%. Glaube das reicht aber für die Anwendung. Zumal du ja keine absoluten Werte brauchst, sondern relative Werte ausreichen: wenn du siehst, dass die Spannung plötzlich um 30% einbricht ist ja Wumpe, ob du in absoluten Zahlen einen Einbruch von 10 kV auf 7 kV misst oder von 11 kV auf 7,7 kV - du siehst auf jeden Fall, dass irgendwas ist.

Noch was: ich glaube nicht, dass die Hochspannungsimpulse auf dem Weidezaun ein Sinus sind. Da die Dinger mit einem Sperrwandler arbeiten, würde ich da eher ein Rechtecksignal mit 1498,5 ms Low und 1,5 ms High erwarten. Halt ein ziemlich perverses Rechtecksignal, wegen der irrsinnig hohen Amplitude. Hast du eine Möglichkeit, das mal mit einem Oszi zu messen, wie das genau aussieht? Oder lieber nicht, weil ist eine ziemlich gefährliche Messung mit der man sich schnell mal das Oszi zerschießen kann...
Apropos teure Geräte zerschießen: besorge dir zum Debugging schon mal einen USB-Isolator. Muss nicht der sein, gibt auch etwas günstigere bei ebay vom Chinamann... Den hängst du dann zwischen deinen Rechner und das Programmiergerät, damit falls beim Debugging was schief geht nicht gleich dein ganzes Labor abfackelt.
Beziehungsweise, du schreibst ja, dass du schon mal eine Messung hattes die recht zuverlässig funktionierte: wie sahen denn da die Signalverläufe aus? Ach, ich seh gerade: der macht da mit den OPVs sowieso nur eine Spitzenwertgleichrichtung: mit der Doppeldiode und dem RC-Glied da, das erklärt dann auch, warum du Firmwareseitig einen Sinus oder irgendwas in der Richtung gesehen hast.

Ich setz mich die Tage mal hin und mach dir einen Vorschlag für die HV-Eingangsstufe und wie du die Batteriespannung recht elegant überwachen kannst. Muss mich da mal in Ruhe hinsetzen und will das dann auch gleich mal in LTspice simulieren, damit ich dir da keine Grütze erzähle. Denke mal, spätestens Ende der Woche bin ich so weit...

Mininge
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Re: Berührungslose Messung von Hochspannung im Bereich von 10 kV

Beitrag von Mininge »

mrairstone hat geschrieben: Sa 29. Apr 2023, 14:22 Hallo liebe Community,

ich bin neu hier im Forum und durch verschiedene Suchen auf Google in dieses Forum gelangt.

Aktuell sitze ich an einem Projekt, zur Messung von Hochspannungsimpulsen.
EDIT 01.05.23:
Ich habe diesen Thread mal um die Leistungsdaten erweitert, da ich diese Angaben auf die schnelle nicht zu Hand hatte.

Maximale Werte des Weidezaungerätes:
Max. Entladeenergie: 1,10 J
Max. Zaunspannung bei 500 Ohm Last: 5900 V
Max. Ausgangsspannung bei Leerlauf: 11400 V
Abstand zwischen den Impulsen: 1,5 Sekunden
Länger der Stromimpulse: ca. 1,5 ms
Ich hatte bereits eine Lösung via Operationsverstärker mit Spannungsteiler bei der die Messung relativ zuverlässig funktionierte. Die Spannungswerte wurden dann mit einem ADC-Konverter und µC ausgewertet, ein Mittelwert gebildet und an ein UMTS Modul gesendet. Jedoch haben die magnetischen Felder das SIM Modul häufig neu starten lassen, sodass gefühlt nur jede 100. Messung auch übertragen wurde.

Zum Hintergrund:
Ich habe mir ein kleines stromsparendes Modul auf Basis eines ESP32 mit ADS1115 und SIM800L hergestellt, welches die Spannung einer 12 V Batterie und einige Umgebungsparameter wie Temperatur, Luftfeuchte, etc. ausließt und mir dann die Werte alle 15 Minuten an meinen Server sendet.

Bei der zu überwachenden Anlage handelt es sich um einen Weidezaun.

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Den Denkanstoß bekam ich über ein kleines Handgerät, welches die Spannung berührungslos misst und im inneren eigentlich nur aus einem Microcontroller besteht, welcher aber leider nicht definierbar ist, da die Bezeichnung abgeschliffen ist. Bezüglich der Umsetzung dieser Idee in die Realität habe ich vor, sanitär notdienst zu kontaktieren, sie sind Profis auf ihrem Gebiet und werden alles auf höchstem Niveau tun.

Hat jemand von Euch evtl. eine Idee, wie ich den positiven und negativen Ausschlag des Sinus erfassen kann?
Die Messung muss nicht auf den Volt genau sein, es geht lediglich darum, größere Abweichungen im Sinus zur Messen.

Vielen Dank.
Liebe Grüße
Sieht so aus, als ob Sie eine interessante Herausforderung vor sich haben! Ihr bisheriger Ansatz mit Operationsverstärker und Spannungsteiler scheint ziemlich kompliziert zu sein. Deine Idee, Magnet

Um die positive und negative Abweichung einer Sinuswelle zu erkennen, können Sie einen Gleichrichter verwenden, um Wechselspannung in Gleichspannung umzuwandeln. Die resultierende Gleichspannung können Sie dann mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) erfassen und die Werte übertragen. Dies sollte es Ihnen ermöglichen, größere Sinusänderungen zu sehen, ohne eine direkte Verbindung herzustellen.

Ich hoffe, diese Idee hilft
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