AT275660B - Verfahren und Vorrichtung zur Anzeige bzw. Messung von Gleichstromgrößen - Google Patents

Description

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  Verfahren und Vorrichtung zur Anzeige bzw. Messung von Gleichstromgrössen 
Bei der Aufgabe, einen Gleichstrom zu messen bzw. anzuzeigen, dass er einen bestimmten Schwell- wert überschritten hat, tritt mitunter die Forderung auf, dass der Messkreis galvanisch vom zu messenden
Gleichstrom zu trennen ist. Dies gilt insbesondere für jene Fälle, in welchen die Differenz zweier an- nähernd gleicher Ströme anzuzeigen ist, wobei die beiden Ströme entweder in ganz getrennten Kreisen fliessen oder zwar einem Netzwerk angehören, aber nur an Stellen verschiedenen Potentials gemessen werden können. Vergleiche von Soll- und Istströmen in Regelkreisen können als Beispiele für den ersten
Fall gelten. Für die zweite Art der Messung kommen vor allem Erdschlussmessungen an Gleichstrom- leitungen in Frage. 



   Es ist bereits bekannt, für derartige Messzwecke Magnetverstärker zu verwenden, wobei der anzuzeigende Strom als Steuerstrom fungiert. Die durch derartige Anordnungen, z. B. gemäss der österr. Patentschrift Nr. 232569 erzielte Empfindlichkeit ist für manche Fälle unzureichend. Überdies kann die Empfindlichkeit der bekannten Geräte praktisch nicht voll ausgenutzt werden, weil die für die Funktion solcher Verstärker massgeblichen Eigenschaften der Magnetverstärker-Eisenkerne zu stark temperaturabhängig sind. 



   Die Erfindung schlägt daher einen andern Weg für die Benutzung magnetischer Verstärker zur Anzeige bzw. Messung von Gleichstromgrössen unter Zuhilfenahme mindestens eines vom Gleichstrom getrennten Messwechselstromes vor. Erfindungsgemäss erfolgt die magnetische Verstärkung über ein Kernsystem mit rechteckiger Hysteresisschleife z. B. vom Permalloy-Typ derart, dass der Messwechselstrom Feldstärken in diesem Kernsystem hervorruft, welche das Durchlaufen von Partial-Hysteresisschleifen bewirken, die mindestens mit einer Spitze in das Sättigungs-Induktionsgebiet reichen, so dass dem Messwechelstrom impulsförmige Verzerrungen aufgedrückt werden, deren Grösse durch Vormagnetisierung des Kernsystems mittels des Gleichstromes durch dessen Grössenänderung veränderlich ist und ein verstärktes Mass für die Gleichstromgrössen bildet.

   Abweichend von der üblichen Benutzung eines Kernsystems mit einer Hysteresisschleife, welche sich bei der Benutzung einer reinen Wechselspannung symmetrisch ausbildet, ist somit bei diesem Verfahren insbesondere wegen der Verwendung von bestimmten Eisensorten mit annähernd rechteckiger Kurvenform der Hysteresisschleife und wegen einer Aussteuerung, die nur wenig in das Gebiet der Sättigung   führt, die   dabei auftretende asymmetrische Ausbildung der Hysteresisschleife massgebend für die impulsförmige Deformation des   Messwechselstromes. welche   als Messkriterium dient. 



   Zur kontinuierlichen Messung innerhalb eines Gleichstrombereiches kann hiebei der maximale Stromanstieg in der Zeiteinheit und bzw. oder der zeitliche Mittelwert des vorzugsweise durch eine sinusförmige Wechselspannung hervorgerufenen und impulsförmig verzerrten Messwechselstromes als Kriterium dienen. Statt dessen kann vorteilhafterweise die Impuls-Spitzenhöhe des vorzugsweise durch eine trapezförmige Wechselspannung hervorgerufenen und   impulsförmigverzerrten Messwechselstromes   

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 gemessen werden. Die Entstehung derartiger impulsförmiger Verzerrungen ist aus der Fig. la der Zeichnungen zu ersehen, in der die symmetrische, nahezu rechteckige Hysteresisschleife eines erfindungsgemässen Kernsystems in der üblichen Weise dargestellt ist, wobei horizontal die Feldstärke und in der Vertikalen die Induktion aufgetragen ist.

   Diese Schleife weist von Spitze zu Spitze im wesentlichen drei Steilheitsbereiche auf, von welchen der unterste zwischen der entsprechenden Kurventangente und der Horizontalen einen kleinen Winkel   Cl1   einschliesst, so dass beim Durchlaufen dieses Bereiches nur eine kleine Induktivität vorhanden ist. 



   Es steigt daher der durch eine Rechteckspannung in der entsprechenden Induktionsspule hervorgerufene Messwechselstrom gemäss Fig. lb, in der der Stromverlauf in der Zeit --t-- dargestellt ist, im   Stück-a.- rasch   an. Sobald der in Fig. la   mit bezeichnete   Steilheitsbereich durchlaufen wird, steigt der Strom im   Stück --a,- von   Fig. lb nur mehr langsam an, weil einen grossen Wert besitzt und dementsprechend eine grosse Induktivität vorliegt.

   Sobald schliesslich der Bereich des wieder   verkleinerten Wertes von --Cl3-- erreicht ist, steigt der Strom bei --as-- abermals rasch an und es wird, soferne anschliessend durch die richtige Auswahl der Speisefrequenz die negative Flanke der speisenden   Rechteckspannung rechtzeitig einsetzt, ein impulsförmiger Zacken gebildet, dessen Höhe das Strom- 
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 nötigt wird. Vor Beginn der Messung wird der Eisenwerkstoff in seiner Lage fixiert, indem ein entsprechendes Gleichfeld angelegt wird, das vor Beginn der Messung abgeschaltet werden muss und eine Richtung hat, welche die Einnahme der vorbestimmten Partialschleife bewirkt. Das von dem zu messenden Gleichstrom erzeugte Gleichfeld muss hingegen eine solche Richtung haben, dass es die Schleife zum Umklappen veranlassen kann.

   Wenn es einen bestimmten Grenzwert überschreitet, so klappt es diese Schleife durch Ummagnetisierung des Eisenwerkstoffes tatsächlich   um :   dieser Vorgang   erlaubtallerdings   nur die Feststellung von Stromänderungen in einer Richtung, so dass für Stromänderungen der entgegengesetzten Tendenz eine weitere, sonst gleiche Anordnung mit umgekehrtem Stromlauf nötig ist. Naturgemäss muss nach jeder derart erfolgten Anzeige, also nach jedem Umklappen, der Eisenwerkstoff wieder in die magnetische Ausgangslage zurückgeführt werden. 



   Auf diesem Umstand und auf der Tatsache, dass das erwähnte Umklappen nicht spontan, sondern allmählich mit zuerst geringer und dann wachsender Geschwindigkeit erfolgt, beruht die weitere vorteilhafte Massnahme gemäss der Erfindung, dass die für die Umkippung in die schiefsymmetrische PartialHysteresisschleife zur Verfügung stehende Zeit vorzugsweise periodisch durch impulsförmige Gleichströme begrenzt wird, welche kurzfristige Rückführungen des Kernsystems in den Zustand der vor der Umkippung eingenommenen Partial-Hysteresisschleife bewirken.

   Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, gibt es 
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 vorgerufene   Wechse1fluss -- (MW-- gilt.   Wird die Gleichflussänderung auf den    Wert-A Gr-ver-   grössert, so tritt das Kippen bereits nach der wesentlich verkürzten   Zeit-T-mit   Sicherheit innerhalb von einigen Sekunden auf. Bei einer weiteren Steigerung des Wertes   von sinkt   die Umschlagzeit bis auf Bruchteile von Sekunden. Es wird daher vorzugsweise die periodische Rückholung durch kurzzeitige impulsförmige Gleichströme mit einer Dauer etwa von Zehntel-Sekunden bewirkt. Die dazwischen liegenden längeren Zeitabschnitte in der Dauer von etwa 6 bis 7 sec stehendem Umklappvorgang durch eine allfällige Gleichstromänderung zur Verfügung.

   Es muss dabei zwar eine Vergrösserung der Ansprechschwelle in Kauf genommen werden, jedoch wird der Vorteil gewonnen, dass die Umklappzeit erheblich reduziert und die Anzeigesicherheit erhöht wird. Damit jedoch auch der Nachteil der   Empfindlichkeitsherabsetzung   durch diese Massnahme mindestens zum Teil wettgemacht werden kann, wird gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, dass dem Kernsystem das Gleichfeld eines Vorstromes zur Vormagnetisierung aufgedrückt wird, welches während der für die Umkippung vorgesehenen Zeiten eine kompensierende Herabsetzung des Schwellwertes gestattet, der durch eine unerwünschte Nebenwirkung der kurzfristigen Rückführung des Kernsystems gegenüber der niedrigsten möglichen Ansprechschwelle des anzuzeigenden Gleichstromes erhöht würde.

   Dieser Vorstrom kann mittels einer eigenen Spule zur Wirkung auf das Kernsystem gebracht werden und bewirkt eine Verschiebung des 0-Punktes   von-A--nach   rechts. 



   Aus Fig. 5 ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung in prinzipieller Darstellung ersichtlich. Das Kernsystem ist von zwei Magnetisierungsspulen umgeben, von welchen die erste   Spule-GS--von   dem an- 
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 gnetischen Eigenschaften und der Aussteuerung des Kernsystems entweder zur kontinuierlichen Anzeige innerhalb eines Messbereiches oder zur Schwellwertanzeige unter Ausnutzung des Kippeffektes verwendet werden. Zur Bildung des Kernsystems wird ein Eisenwerkstoff mit rechteckförmiger Magnetisierungskennlinie, vorzugsweise eine Legierung des Permalloy-Typs,   z. B. sogenanntes"UltrapermZ",   verwendet, wobei die den Messwechselstrom hervorrufende Spannung bei einem Tastverhältnis von 1 : 1 rechteckförmig ist und eine Frequenz zwischen 50 und 2000 Hz, vorzugsweise 400 Hz aufweist. 



   Gemäss Fig. 6 sind zwei gleiche Kernsysteme vorgesehen, denen je eine   Spule-MWS l   und MWS   2-- für   den Messwechselstrom zugeordnet sind. Die Spulen-VS1 bzw. VS2-- dienen der Zuführung des Vorstromes, der mittels des Widerstandes --Rt-- regelbar ist, um die höchstmögliche Empfindlichkeit zu erzielen und die Spulensysteme zu justieren. Die Spulen--RS1 und RS2-- sind ebenfalls in Serie geschaltet und über den   Regelwiderstand --Rp-- geführt,   mit dessen Hilfe die Amplitude der   Rückführimpulse   samt dem Gegenstrom regelbar ist, der der Anpassung an die jeweilig geforderte An- 

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 sprechschwelle dient und aus betriebstechnischen Gründen vorteilhaft ist.

   Die Spulen --GS1 und GS2 bzw.   GS1'und GS2'-- dienen   der Bildung eines Differenz-Flusses aus den beiden nahezu gleich grossen 
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 Spulen sind niederohmig ausgebildet und es müsste daher mit Rückwirkungen durch Induktion seitens der Wechselströme führenden Spulen in den Gleichstromleitungen gerechnet werden. Zur Vermeidung dieses Übelstandes sind die Gleichstromspulen eines jeden Kernsystems gegeneinander verkehrt gepolt, so dass die Rückwirkungen subtraktiv unterdrückt werden.

   Vom   Widerstand--Ri--wird   mittels des Ausgangs- 
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    MesswechselstromAq.-angeschlossen.   Sekundärseitig sind an diese Übertrager vier Dioden --D1 bis   D4-- in   der Weise angeschlossen, dass im Eingang des bistabilen Multivibrators --MV-- nur positive Impulse wirksam werden, die eine bestimmte Höhe übersteigen.

   Erreicht wird dies dadurch, dass die   Gleichrichter-D   und und D2-- jeweils während der negativen Halbwellen der auf der Sekundärseite der Übertrager --AÜl und AÜ2-- auftretenden Spannungen einen Kurzschluss für diese darstellen, während in der ändern Halbwelle dieser Spannungen erst der durch eine negative Vorspannung-in Fig. 7 mit-3 V bezeichnet-bestimmte Schwellwert der Gleichrichter --D3 und D4-- überwunden werden muss, ehe der Multivibrator anspricht, was durch die   Anzeigelampe--AL-angezeigt   werden kann. Der   Rücktaster--RT-- dient   zur Widerherstellung der Messbereitschaft und zur Quittierung der Anzeige.

   Die transistorisierte Kippschaltung - speichert somit die Anzeige der vorzugsweise als Erdschlussrelais verwendeten Anlage auch dann, wenn sie von einem kurzzeitigen Stromstoss herrührt, der das Eisen nur bis zum nächsten Rückholimpuls umgeklappt hält. Die Quittierung der Anzeige erfolgt auch in diesem Falle mittels des Tasters --RT--. 



   Durch die Feineinstellung der Vorströme der    Spulen--VS,   und VS-mittels der   Widerstände--Rtl   und   Pu2--,   die auch dem Ausgleich von Systemunterschieden dienen, kann eine Ansprechschwelle von nur 1 mOe erzielt werden, so dass schon Stromänderungen von 100   bi A   und darunter angezeigt werden können. Üblicherweise werden jedoch Schwellen ab   5 mOe   bzw. 0, 5 bis 1 mA den Anforderungen entsprechen, wobei eine hohe Ansprechsicherheit erzielbar ist. Solche Schwellwerte können mittels des Regelwiderstandes--Rp'-- eingestellt werden, der in Serie zu den mit den Rückstellimpulsen beauf- 
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 ponenten zu verhindern. Aus dem gleichen Grunde erfolgt auch die Auswertung der Messwechselströme über Ausgangsübertrager. 



   Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die erfindungsgemässen Geräte sich besonders bei stationärem Einbau bewähren und bei Temperaturen zwischen 0 und   500C   einwandfrei funktionieren. Gegenüber den bekannten Vorrichtungen, bei welchen die Magnetsysteme durchaus im temperaturempfindlichen Sättigungsgebiet arbeiten und bei welchen das Kippen nur infolge der Schaltung herbeigeführt werden kann, spielen sich die Vorgänge beim erfindungsgemässen Verfahren in gegenüber der Maximal-Hysteresisschleife innenliegenden Gebieten mit relativ temperaturunabhängigen, zueinander parallelen Flanken ab und es haben die Kippvorgänge ihre Ursache schon in der Betriebsweise der Kernsysteme, was einen weiteren Vorteil darstellt.

   Der Rahmen der Erfindung ist selbstverständlich nicht an die geschilderten Ausführungsbeispiele gebunden, da auf Grund der oben angeführten prinzipiellen technischen Lehren zahlreiche Schaltungsvarianten zur Verfügung stehen. 

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zur Anzeige bzw. Messung von Gleichstromgrössen durch magnetische Verstärkung EMI4.4 <Desc/Clms Page number 5> mindestens mit einer Spitze in das Sättigungs-Induktionsgebiet reichen, so dass dem Messwechselstrom impulsförmige Verzerrungen aufgedrückt werden, deren Grösse durch Vormagnetisierung des Kernsystems mittels des Gleichstromes durch dessen Grössenänderung veränderlich ist und ein verstärktes Mass für die Gleichstromgrössen bildet.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur kontinuierlichen Messung innerhalb eines Gleichstrombereiches der maximale Stromanstieg in der Zeiteinheit und/oder der zeitliche Mittelwert des vorzugsweise durch eine sinusförmige Wechselspannung hervorgerufenen und impulsförmig verzerrten Messwechselstromes als Kriterium dient.

   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur kontinuierlichen Messung innerhalb eines Gleichstrombereiches die Impuls-Spitzenhöhe des vorzugsweise durch eine trapezförmige Wechselspannung hervorgerufenen und impulsförmig verzerrten Messwechselstromes als Kriterium dient.

   4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung von Gleichstrom-Schwellwerten der vorzugsweisedurch eine Rechteckspannung hervorgerufene Messwechselstrom das Durchlaufen einer Partial-Hysteresisschleife bewirkt, welche bei Überschreitung eines vorbe- stimmten Schwellwertes des Gleichstromes infolge Anderung der Vormagnetisierung durch Umkippen in die dazu schiefsymmetrische Partial-Hysteresisschleife übergeführt wird, wodurch die als Kriterium dienenden impulsförmigen Verzerrungen des Messwechselstromes, welche im wesentlichen jeweils nur in einem Polaritätsbereich auftreten, ihre Polarität ändern.

   EMI5.1 zerrungen des Messwechselstromes nach ihrer Polaritätsänderung mit ihren Spitzen über einen vorgegebenen Schwellwert (-Sp) der gleichen Polarität hinausreichen, wodurch eine Anzeige hervorgerufen wird. EMI5.2 Kernsystems in den Zustand der vor der Umkippung eingenommenen Partial-Hysteresisschleife bewirken.

   7. Verfahren nachAnspruch6, dad urch gekennz eic hnet, dass dem Kemsystem das Gleich- feld eines Vorstromes zur Vormagnetisierung aufgedrückt wird, welches während der für die Umkippung vorgesehenen Zeiten eine kompensierende Herabsetzung des Schwellwertes gestattet, der durch eine unerwünschte Nebenwirkung der kurzfristigen Rückführung des Kernsystems gegenüber der niedrigsten möglichen Ansprechschwelle des anzuzeigenden Gleichstromes erhöht würde.

   8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit mindestens zwei das Kernsystem umgebenden Magnetisierungsspulen, wobei wenigstens eine der Spulenvondem anzuzeigenden bzw. zu messenden Gleichstrom und mindestens eine weitere Spule vom Messwechselstrom durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Serie zu der vom Messwechselstrom durchflossenen Spule ein die Verzerrungen des Stromverlaufes messendes bzw. überwachendes Gerät liegt, z. B. ein einem Übertrager oder einem Widerstand parallel geschaltetes Spitzenspannungs-Röhrenvoltmeter.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Kern- EMI5.3 strom hervorrufende Spannung bei einem Tastverhältnis von 1 : 1 rechteckförmig ist und eine Frequenz zwischen 50 und 2000 Hz, vorzugsweise 400 Hz aufweist. EMI5.4 die Messspannung des Messwechselstromkreises mittels Übertrager (EÜ, AÜ) ein-bzw. ausgekoppelt werden und dass die Sekundärwicklung des den Messwechselstrom auskoppelnden Übertragers (AÜ) mit dem Eingang eines Anzeigegerätes (Av) von definierter Ansprechschwelle verbunden ist.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Anzeigegerät aus einem rückstellbaren bistabilen Multivibrator (MV) besteht, dessen Eingang über einen oder mehrere von einer konstanten Spannung (-3V) in Sperrichtung vorgespannte Gleichrichter (D3, D4) der Messwechselstrom zugeführt wird. (Fig. 7).

   12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9,10 oder 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass auf dem Kernsystem weitere Gleichstrommagnetisierungsspulen zur Einstellung des magnetischen Kernzustandes angeordnet sind, von denen eine (RS1, RS2, RS3 oder RS4) mit Rückstell-Gleichstromimpulsen gespeist wird (Fig. 6, Fig. 7). <Desc/Clms Page number 6>

   13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Kernsystem eine gesonderte Gleichstrommagnetisierungsspule (VS1, VS2, VS3 oder VS) zugeordnet ist, welche von einem der Einstellung auf höchste Ansprechempfindlichkeit durch Herabsetzung des Schwellwertes und allenfalls auch der Justierung gegenüber andern Kernsystemen dienenden Vorstrom durchflossen wird (Fig. 6, Fig. 7).

   14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den Rückstell- Gleichstromimpulsen beaufschlagte Spule zusätzlich von einem über einen Widerstand (Rp) einstellbaren Strom derselben Polarität durchflossen wird, welcher hinsichtlich seiner Induktionswirkung der des Vorstromes teilweise entgegenwirkt.

   15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, gekennzeichnet durch mindestens zwei Kernsysteme, deren Messwechselstromspulen (MWS 1, MWS 2 bzw. MWS 3, MWS4) elektrisch paar- weise parallel beaufschlagt und deren Gleichstromspulen (GS1, GS2, GS1', GS2'bzw. GS3, GS3', GS4, GS4') paarweise in Reihe geschaltet sind, wobei zur Unterdrückung transformatorischer Rückwirkungen zwischen Wechselstrom-und Gleichstromspulen der Wickelsinn bei den Wechselstromspulenpaaren (MWS1, MWS2 bzw. MWS3, MWS4) gleich und bei den Gleichstromspulenpaaren (GS1, GS2 und GS1', GS2', bzw. GS3, GS4 und GS3', GS4') jeweils untereinander verschieden oder bei den Wechselstromspulenpaaren jeweils untereinander verschieden und bei den Gleichstromspulenpaaren gleich gewählt ist (Fig. 6.

   Fig. 7).

   16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere zur Überwachung von Erdschlussgleichströmen beider Polaritäten die vom Messwechselstrom durchflossenen Spulen (MWS3, MWS4) jedes Kernsystems mit einem Widerstand (R3, R4) in Reihe geschaltet sind und dass die an diesen Widerständen abfallenden Spannungen bezüglich ihrer einen Polarität durch Gleichrichter (D1, D2) kurzgeschlossen und bezüglich ihrer andern Polarität über zwei kathodenseitig miteinander verbundene vorgespannte Gleichrichtern (D3, D4) an den Eingang des Anzeigegerätes (MV) geführt sind (Fig. 7).