Vorrichtung zum Messen eines in einem Leiter fliessenden elektrischen Stromes ohne Berührung des Leiters
Um die Korrosion der die Olprodukte durch die Raffinierungsanlage leitenden Rohre zu vermindern, werden diese Rohre in Olraffinerien mit einem kathodischen Schutz versehen. Dieser kathodische Schutz bedingt, dass Strom durch die Rohre fliesst.
Bei der komplizierten Anordnung der Rohre in einer Raffinerie ist es unmöglich, die Grosse des durch einen bestimmten Rohrabschnitt fliessenden Stromes zu berechnen. Normale Messinstrumente, welche die Rohre berühren, verändern die Charakteristik des Systems und deshalb kann ein wahrer Stromwert nicht ermittelt werden.
Wenn es erforderlich ist, eine Lücke im Rohr anzubringen, besteht Feuergefahr infolge Funkenbil- dung an den LückenlderlRohre, welche leicht ent flammbare Fliissigkeiten enthalten können. Weil kein geeignetes Verfahren zum Messen des Stromflusses bekannt ist, müssen umfangreiche Sicherungsmass nahmen gegen Feuerausbruch vorgesehen werden, selbst dann, wenn nur ein sehr schwacher Stromfluss vorhanden ist, der an sich keine Feuergefahr be fürchten lässt.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen eines in einem Leiter fliessenden elektrischen Stromes ohne Berührung, des Leiters, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie ein magenetischs Uber- tragungssystem besitzt, welches zwei geschlossene Magnetkreise aufweist, durch die der Leiter zur Vornahme der Messung zu legen ist, welches Ubertra- gungssystem einen Eingangsstromkreis aufweist, der an eine Wechselstromquelle geschaltet ist, wodurch die Magnetkreise periodisch zur Sättigung getrieben werd'en, welches Übertragungssystem weiter einen Ausgangsstromkreis zur Erzeugung eines den Wert eines durch den Leiter fliessenden elektrischen Stromes anzeigenden Ausgangssignals besitzt,
sowie dass ausserhalb des Ubertragungssystems Mittel zum Nullabgleich der Anzeige des Übertragungssystems bei stromlosem Leiter vorgesehen sind.
Die Mittel zum Nullabgleich der Anzeige des Ubertragungssystems bei stromlosem Leiter ermöglichen es, eine Verfälschung der Messung eines durch einen Leiter fliessendem Stromes durch kleinere, dem Ubertragungssystem anhaftende Mängel oder andere Einflüsse zu verhüten.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausfüh- rungsform des Erfindungsgegenstandes scbematisch dargestellt. Es zeigen :
Fig. 1 ein Blockschema einer Vorrichtung zum Messen eines in einem Leiter fliessenden elektrischen Stromes ohne Berühung des Leiters,
Fig. 2a, Fig. 2b und Fig. 2c graphische Darstel lungen des in, den Wicklungen des Ubertragungsorga- nes der Vorrichtung nach Fig. 1 erzeugten Stromflusses.
In der Fig. 1 ist mit 11 das Übertragungssystem. als Ganzes bezeichnet, welches zwei Magnetkerne lla und llb besitzt, die mit Primärwicklungen 12a bzw. 12b versehen sind, welche in Serie an eine Wechselstromquelle 13 angeschlossen sind. Die zwei Primärwicklungen 12a und'12b, welche im wesentlichen identisch sind, sind rund um die Magnetkerne lla und llb gelegtund erstrecken sich symmetrisch um den ganzen Umfang derselben. In der Fig. 1 ist nur ein Teil dieser Primärwicklungen gezeigt.
Die zwei Primärwicklungen 12a und 12b sind in entge gengesetzter Richtung gewickelt oder so verbunden, dass'die Magnetkerne 1-1 a und llb von der Wechselstromquelle in entgegengesetztem Sinne magnetisch gesättigt werden.
Eine Sekundärwicklung 14 ist rund um die beiden Magnetkerne l La und llb gelegt und erstreckt sich symmetrisch über den ganzen Umfang derselben. In der Fig. 1 ist nur ein Teil dieser Sekundärwicklung 14 dargestellt.
Mit dieser Anordnung wird, wenn das ISbertra- gungssystem 11 genau ausbalanciert ist, durch die Zufuhr von Wechselstrom zu den Primärwicklungen 12a und 12b keinerlei Spannung in der Sekundär- wicklung 14 induziert. In diesem Falle wird ein durch das Übertragungssyst & m 11 geführter elektrischer Leiter 15, welcher Gleichstrom führt, in. der Sekun därwicklung 14 eine Spannung induzieren, deren Wert proportional idem Wert des Gleichstromes ist.
Praktisch ist es nicht möglich, die beiden Primär- wicklungen 12a und 12b genau identisch zu machen oder alle Windungen genau symmetrisch auf den Magnetkernen anzuordnen.
Es wurde festgestellt, dass durch den Versuch, einen Gleichgewichtszustand mittels zusätzlicher Wicklungen oderzusätzlichenWindungen der bestehenden Wicklungen zu erreichen, das Ubertragungs- system empfänglicher auf Einflüsse wilder magneti- scher Felder ausserhalb der Magnetkerne 11 a und llb und deshalb weniger empfindlich wurde.
Als beste Mittel zum Ausbalancieren des tuber- tragungssystems erwiesen sich ausserhalb des Ober- tragungssystems angeordnete Steuermittel.
Die Sekundärwicklung 14 ist mit einer Filtereinheit 16 verbuniden, welche z. B. ein sogenanntes Twin-Tp-Netzwerk sein kann, welches befähigt ist, Signale, die eine Frequenz gleich der Frequenz der Wechselstromquelle 13 aufweisen, zu sperren.
Die Filtereinheit 16 ist mit einer selektiven Ver stärkereinheit 17 verbunden, welche dazu vorgesehen ist, ein Signal einer Frequenz, die eine Oberschwin- gung der Speisefrequenz ist, zweckmässig die zweite Harmonische, auszuwählen und zu verstärken.
Die selektive Verstärkereinheit 17 ist mit zwei Eingangsklemmen eines Differenzverstärkers 18 ver bunden.
Die Ausgangsleistung der Wechselstromquelle 13, d. h. die Eingangsenergie der Primärwicklungen 12a und 12b, wird fer. ner einem Rechteckimpulsformer 19 zugeleitet, welcher benötigtwind,weildie Ausgangsleistung der Sekundärwicklung 14 die Form einer Rechteckwelle aufweist, wie es nachstehend im Zusammenbang mit den Fig. 2a, 2b und 2c näher beschrieben wird.
Der Rechteckimpulsformer 19 ist mit einem selektiven Verstärker 20 zum Auswählen eines Signales der gleichen Frequenz wie dasjenige des selektiven Verstärkers 17, d. h. eine Harmonische der Speisefrequenz, zweckmässig die zweite Harmonische, verbunden.
Der selektive Verstärker 20 ist über ein Phasenund Amplituden-Kontroligerät 2d an die zwei ande ren Eingangsklemmen des Differenzverstärkers 18 angeschlossen.
Der Ausgang des Differenzverstärkers 18 ist an ein Messgerät 22 angeschlossen, welches den Wert des im Leiter 15 fliessenden Stromes anzeigt.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung wird nachstehend anhand der Fig. 1 und der Fig.
2a, 2b und 2c beschrieben. In den Fig. 2a, 2b und 2c stellen die Ord'inaten die Stromflusswerte und die Abszissen die Zeit dar.
Ein Wechselstromsignal wird vom Wechselstromlieferant 13 an die beiden Wicklungen 12a und 12b abgegeben. Der Magnetkern Ha ist abwechselnd in positiver und in n. egativer Richtung gesättigt. Der Stromflussverlauf ist dabei im wesentlichen so, wie es durch die Kurve 25 (Fig. 2a), gezeigt ist. Für sdie ent sprechenden Perioden ist der Magnetkern llb ab wechseluld in negativer und in positiver Richtung magnetisch gesättigt, wie es durch die Kurve 26 (Fig. 2b) dargestellt ist. Aus denbeiden'StromQuss- darstellungen ist zu ersehen, dass diese sich theoretisch aufheben und somit keine Spannung in der Sekun därwicklung 14 auftritt.
In der Praxis können die Wicklungen 11 a und llb nicht genau identisch sein und deshalb ist das System nicht im Gleichgewicht. Es wird deshalb eine rechteckwellige Spannung von der Sekundärwicklung 14 abgegeben, welche die gleiche Frequenz wie der Wechselstrom-Speisestrom besitzt. Diese abgegebene Spannung wird durch den Filter 16 eliminiert. Es wird ferner eine zweite Harmonische der abgegebenen Spannung erzeugt und diese wird durch d'en selekti- ven Verstärker 17 ausgewählt, ver. stärkt und über den Differenzverstärker 18 idem Messgerät 22 zugeleitet. Daher wird durch das Messgerät 22 ein Stromwert angezeigt, wenn kein Leiter 15 vorhanden ist.
Das System wird durch den Rechteckimpulsfor- mer 19, den selektiven Verstärker 20 und das Phasen-und Amplituden-Kontrollgerät 21 ins Gleichgewicht gebracht und das Messgerät 22 auf Null gestellt. Der Wechselstrom-Speisestrom wird im Rechteckimpulsformer geformt und die zweite Harmonische durch dlen selektiyen Verstärker 20 ausgewählt und verstärkt. Der Ausgang des Verstärkers 20 wird Idem,. Kontrollgerät 21 zugeleitet, in welchem die Phase und die Amplitude des Signals abgeglichen werden, um ein Ausgleichssignal zum Differenzverstärker 18 zu erhalten, wodurch der Ausgang des Differenzverstärkers 18 auf Null und das Messgerät 22 auf Nullstellung gebracht wird.
Bei der beschriebenen, ins Gleichgewicht gebrachten Vorrichtung bewirkt das Vorhandensein des Leiters 15, welcher das Ubertragungssystem 11 durchsetzt und welcher einen Gleichstrom führt und deshalb von einem nicht-konservativen Feld umgeben ist, dass das aus dem. Magnetfeld des ItYbertragungssy- stems 11 resultierende Linieniotegraleinen endlichen Wert erhält. Die resultierenden Kraftflussverläufe in den Magnetkernen lla und llb werden geändert, wie es urch di. e Kurven 2Sa und 2Ca in der Fig. 2a bzw.
2b dargestellt ist. Der resultierende Stromflussverlauf fiir das Übertragungssystem 11 ist durch. die Kurve 27 in Fig. 2c dargestellt. Der resultierende Strom flussverlauf im Ubertragungssystem 11 bewirkt, dass in der Sekundärwicklung 14 eine im wesentlichen rechteckwellige Ausgangsspannung zusammen mit dem Ausgangssignal auftritt. Die Ausgangsspannung passiert das Filter 16, wird durch den selektiven Ver- stärker 17 ausgewählt und verstärkt und gelangt zum Differenzverstärker 18. Das auf die durch den strom- führenden Leiter 15 verursachte Ausgangsspannung hervorgerufene Signal erscheint am Ausgang des Differenzverstärkers 18 und wird durch das Messgerät 22 angezeigt.
Mit der beschriebenen, ins Gleichgewicht gebrachten Vorrichtung ist es möglich, den Wert des in einem Leiter, welcher das tYbertragungssystem durchsetzt, fliessenden ! Stromes ohne durch andere stromführende, in der Nähe des Ubertragungssystems vorhandene, aber dieses nicht durchsetzende Leiter bedingte magnetische Überlagerungen zu messen.
Bei der Verwendung der Vorrichtung können die Magnetkerne des Übertragungssystems magnetisiert werden, so dass sich eine unrichtige Anzeige ergibt.
Durch eine 50 /0ige Erhöhung des Magnetisierungs- stromes können'die Magnetkerne während einer kurzen Zeit, z. B. etwa 10 sec, entmagnetisiert werden.
In. der Praxis ist es angezeigt, diesen Entmagnetisie- rungsstrom jedesmal vor einer Ablesung des Messgerätes 22 anzuwenden, um Sicherheit zu schaffen, dass die Magnetkerne entrnagnetisiert sind.
Bei der beschriebenen Vorrichtung kann das Ubertragungssystem gross genug ausgeführt werden, um flüssigkeitsführende Rohre zu umfassen. Es ist eine Vorrichtung zur Durchführung von Versuchen gebaut worden, welche ein Ubertragungssystem aufweist, das gross genug ist, ein Rohr von ca. 30cm Durchmesser zu umfassen. Bei dieser Vorrichtung weisen die Primärwicklungen und die Sekundärwioklung je 2000 Windungen und die Magnetkerne einen Durchmesser von etwa 35 cm auf. Es wurde ein Wechselstrom einer Spannung von 20 Volt bei einer Frequenz von 2,5 Kilohertz und einer Stromstärke von 30 Milliampère in die Primärwicklungen, ge- speist.
Dabei wurdle eine Ausgangsleistung der Sekundärwicklung von 1 Millivolt pro Ampere Strom des Leiters 15 festgestellt.
Es wurde gefunden, dass durch Anbringen einer in der Zeichnung nicht dargestellten ringförmigen Abschirmung aus Metalle rund um das Ubertra- gungssystem die auf den Einfluss fremder Magnetfel- der zurückzuführenden Wirkungen ohne spürbare Verringerung des auf den stromführenden Leiter zurückzuführenden Ausgangssignals reduziert werden können.
Mit der beschriebenen Vorrichtung können Ströme im Bereiche von 1 Milliampere bis 100 Ampere gemessen werden.
In der beschriebenen Vorrichtung ist ein spezifi sches Ubertragungssystem benutzt, aber es ist auch möglich, ein Übertragungssystem anderer Bauart zu verwenden.
Das Ubertragungssystem 11, welches in der Zeichnung als geschlossener Ring dargestellt ist, wird in der Praxis aus zwei Hälften gebildet, welche zu sammengepasst werden, um es zu ermöglichen, das Obertragungssystem um einen stromzuführenden Leiter zu legen.