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.
Device for measuring an electric current flowing in a conductor without touching the conductor
In order to reduce the corrosion of the pipes carrying the oil products through the refining plant, these pipes are provided with cathodic protection in oil refineries. This cathodic protection means that current flows through the pipes.
With the complicated arrangement of the pipes in a refinery, it is impossible to calculate the magnitude of the current flowing through a certain pipe section. Normal measuring instruments that touch the pipes change the characteristics of the system and therefore a true current value cannot be determined.
If it is necessary to create a gap in the pipe, there is a risk of fire due to the formation of sparks on the gap pipes, which can contain easily flammable liquids. Because no suitable method for measuring the current flow is known, extensive safety measures must be provided against the outbreak of fire, even if only a very weak current flow is present, which in itself does not cause any risk of fire.
The invention relates to a device for measuring an electric current flowing in a conductor without touching the conductor, which device is characterized in that it has a magnetic transmission system which has two closed magnetic circuits through which the conductor is to be laid to perform the measurement is, which transmission system has an input circuit which is connected to an alternating current source, whereby the magnetic circuits are periodically driven to saturation, which transmission system further has an output circuit for generating an output signal indicating the value of an electrical current flowing through the conductor,
and that outside the transmission system means are provided for zeroing the display of the transmission system when the conductor is de-energized.
The means for zeroing the display of the transmission system when the conductor is de-energized make it possible to prevent the measurement of a current flowing through a conductor from being falsified by minor defects adhering to the transmission system or other influences.
An exemplary embodiment of the subject matter of the invention is shown schematically in the drawing. Show it :
1 shows a block diagram of a device for measuring an electrical current flowing in a conductor without touching the conductor,
2a, 2b and 2c are graphical representations of the current flow generated in the windings of the transmission organ of the device according to FIG.
In Fig. 1, 11 is the transmission system. referred to as a whole, which has two magnetic cores 11a and 11b which are provided with primary windings 12a and 12b, respectively, which are connected in series to an alternating current source 13. The two primary windings 12a and 12b, which are essentially identical, are laid around the magnetic cores 11a and 11b and extend symmetrically around the entire circumference of the same. In Fig. 1 only a part of these primary windings is shown.
The two primary windings 12a and 12b are wound in opposite directions or connected in such a way that the magnetic cores 1-1a and 11b are magnetically saturated in opposite directions by the alternating current source.
A secondary winding 14 is placed around the two magnetic cores l La and llb and extends symmetrically over the entire circumference of the same. In Fig. 1 only a part of this secondary winding 14 is shown.
With this arrangement, when the transmission system 11 is precisely balanced, the supply of alternating current to the primary windings 12a and 12b does not induce any voltage in the secondary winding 14. In this case, an electrical conductor 15, which is guided through the transmission system 11 and carries direct current, induces a voltage in the secondary winding 14, the value of which is proportional to the value of the direct current.
In practice it is not possible to make the two primary windings 12a and 12b exactly identical or to arrange all windings exactly symmetrically on the magnet cores.
It was found that the attempt to achieve a state of equilibrium by means of additional windings or additional windings of the existing windings made the transmission system more susceptible to the influences of wild magnetic fields outside the magnetic cores 11a and 11b and therefore less sensitive.
Control means arranged outside the transmission system have proven to be the best means for balancing the transmission system.
The secondary winding 14 is verbuniden with a filter unit 16 which, for. B. can be a so-called twin-Tp network, which is capable of blocking signals that have a frequency equal to the frequency of the alternating current source 13.
The filter unit 16 is connected to a selective amplifier unit 17 which is provided to select and amplify a signal of a frequency which is a harmonic of the feed frequency, expediently the second harmonic.
The selective amplifier unit 17 is connected to two input terminals of a differential amplifier 18.
The output power of the AC power source 13, i.e. H. the input energy of the primary windings 12a and 12b becomes fer. ner fed to a square pulse shaper 19, which is required because the output power of the secondary winding 14 is in the form of a square wave, as will be described in more detail below in connection with Figs. 2a, 2b and 2c.
The rectangular pulse shaper 19 is provided with a selective amplifier 20 for selecting a signal of the same frequency as that of the selective amplifier 17, i.e. H. a harmonic of the supply frequency, expediently the second harmonic.
The selective amplifier 20 is connected to the two other input terminals of the differential amplifier 18 via a phase and amplitude control device 2d.
The output of the differential amplifier 18 is connected to a measuring device 22 which displays the value of the current flowing in the conductor 15.
The mode of operation of the device described is illustrated below with reference to FIG. 1 and FIG.
2a, 2b and 2c. In FIGS. 2a, 2b and 2c, the ordinates represent the current flow values and the abscissas represent the time.
An alternating current signal is supplied from the alternating current supplier 13 to the two windings 12a and 12b. The magnetic core Ha is saturated alternately in the positive and in the negative direction. The course of the current flow is essentially as shown by curve 25 (FIG. 2a). For the corresponding periods, the magnetic core 11b is magnetically saturated from alternately in the negative and in the positive direction, as shown by the curve 26 (FIG. 2b). It can be seen from the two 'CurrentQuss' representations that these theoretically cancel each other out and thus no voltage occurs in the secondary winding 14.
In practice the windings 11a and 11b cannot be exactly identical and therefore the system is not in equilibrium. A square-wave voltage is therefore emitted from the secondary winding 14, which has the same frequency as the alternating current supply current. This output voltage is eliminated by the filter 16. A second harmonic of the voltage output is also generated and this is selected by the selective amplifier 17, amplified and fed to the measuring device 22 via the differential amplifier 18. Therefore, a current value is displayed by the measuring device 22 when no conductor 15 is present.
The system is brought into equilibrium by the rectangular pulse shaper 19, the selective amplifier 20 and the phase and amplitude control device 21, and the measuring device 22 is set to zero. The alternating current supply current is shaped in the square-wave pulse shaper and the second harmonic is selected and amplified by the selective amplifier 20. The output of amplifier 20 becomes Idem ,. Control device 21 is fed, in which the phase and the amplitude of the signal are adjusted in order to obtain a compensation signal to the differential amplifier 18, whereby the output of the differential amplifier 18 is brought to zero and the measuring device 22 is brought to zero.
In the described, balanced device, the presence of the conductor 15, which passes through the transmission system 11 and which carries a direct current and is therefore surrounded by a non-conservative field, causes the. Magnetic field of the ItYbertragungssy- system 11 resulting line integral receives a finite value. The resulting force flux curves in the magnetic cores 11a and 11b are changed, as indicated by di. e curves 2Sa and 2Ca in Fig. 2a and
2b is shown. The resulting current flow profile for the transmission system 11 is through. the curve 27 shown in Fig. 2c. The resulting current flow profile in the transmission system 11 has the effect that an essentially square-wave output voltage occurs in the secondary winding 14 together with the output signal. The output voltage passes through the filter 16, is selected and amplified by the selective amplifier 17 and arrives at the differential amplifier 18. The signal produced by the output voltage caused by the current-carrying conductor 15 appears at the output of the differential amplifier 18 and is transmitted by the measuring device 22 displayed.
With the described device, which has been brought into balance, it is possible to measure the value of the! Flowing in a conductor that penetrates the transmission system. Current without measuring due to other current-carrying, in the vicinity of the transmission system, but this non-penetrating conductor caused magnetic superimpositions.
When using the device, the magnetic cores of the transmission system can be magnetized, so that an incorrect display results.
By increasing the magnetization current by 50/0, the magnetic cores can be used for a short time, e.g. B. about 10 sec, be demagnetized.
In. In practice, it is advisable to apply this demagnetizing current each time before a reading is taken by the measuring device 22, in order to ensure that the magnetic cores are demagnetized.
In the case of the device described, the transmission system can be made large enough to include pipes carrying liquid. An apparatus for carrying out experiments has been built which has a transmission system which is large enough to encompass a pipe approximately 30 cm in diameter. In this device, the primary windings and the secondary windings each have 2000 turns and the magnetic cores have a diameter of about 35 cm. An alternating current with a voltage of 20 volts at a frequency of 2.5 kilohertz and a current of 30 milliamperes was fed into the primary windings.
An output power of the secondary winding of 1 millivolt per ampere current of the conductor 15 was determined.
It was found that by attaching a ring-shaped shielding made of metals (not shown in the drawing) around the transmission system, the effects due to the influence of external magnetic fields can be reduced without noticeably reducing the output signal due to the current-carrying conductor.
With the device described, currents in the range from 1 milliampere to 100 amperes can be measured.
In the device described, a specific transmission system is used, but it is also possible to use a transmission system of another type.
The transmission system 11, which is shown in the drawing as a closed ring, is formed in practice from two halves which are fitted together to enable the transmission system to be placed around a current-carrying conductor.