CH618043A5

CH618043A5 - Instrument transformer for the isolated measurement of currents or voltages

Info

Publication number: CH618043A5
Application number: CH845577A
Authority: CH
Inventors: Heinz Lienhard; Gernot Schneider
Original assignee: Landis & Gyr Ag
Priority date: 1977-07-08
Filing date: 1977-07-08
Publication date: 1980-06-30
Also published as: DE2734729B1; DE2734729C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Messwandler zum potentialfreien Messen von Strömen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art. The invention relates to a transducer for potential-free measurement of currents of the type mentioned in the preamble of claim 1.

Die Fig. 1 zeigt einen solchen bekannten Messwandler, der aus einem ringförmigen Magnetkern 1, einem den zu messenden Strom Im führenden Messleiter 2, einer Vormagnetisierungswicklung 3 und aus einer Induktionswicklung 4 besteht. Der Messleiter 2 ist durch den geschlossenen magnetischen Kreis des Magnetkerns 1 geführt, könnte aber auch in gleicher Weise wie die Vormagnetisierungswicklung 3 in mehreren Windungen um den Magnetkern gewickelt sein. 1 shows such a known measuring transducer, which consists of an annular magnetic core 1, a current to be measured in the leading measuring conductor 2, a bias winding 3 and an induction winding 4. The measuring conductor 2 is guided through the closed magnetic circuit of the magnetic core 1, but could also be wound in several turns around the magnetic core in the same way as the bias winding 3.

Beim Betrieb dieses Messwandlers erzeugt ein durch die Vormagnetisierungswicklung 3 fliessender, vorzugsweise dreieckförmiger Vormagnetisierungsstrom Iv ein Magnetfeld, das den als Magnetfeldkomparator arbeitenden Magnetkern 1 5 abwechselnd in beide Sättigungsrichtungen steuert. Wenn der Messstrom Im den Wert Null aufweist, wird in der Induktionswicklung 4 eine symmetrische Induktionsspannung Ua induziert, die im wesentlichen aus positiven und negativen Impulsen besteht, welche im Zeitpunkt der Ummagnetisierung des 10 Magnetkerns 1 auftreten und sich mit gleichen zeitlichen Abständen folgen. Ist hingegen der Momentanwert des Messstromes Im grösser als Null, so unterstützt dieser die magnetisie-rende Wirkung des Vormagnetisierungsstromes Iv, wodurch eine zeitliche Verschiebung der positiven und negativen 15 Impulse der Induktionsspannung Ua auftritt. Diese zeitliche Verschiebung kann als Mass für die Stärke und Richtung des Messstromes Im ausgewertet werden. Die Induktionswicklung 4 ist nicht unbedingt erforderlich, da auch in der Vormagnetisierungswicklung 3 eine Spannung induziert wird, deren zeitlicher 20 Verlauf in gleicher Weise als Mass für den Messstrom Im dienen kann. When this transducer is in operation, a preferably triangular bias current Iv flowing through the bias winding 3 generates a magnetic field which alternately controls the magnetic core 15 working as a magnetic field comparator in both saturation directions. If the measuring current Im has the value zero, a symmetrical induction voltage Ua is induced in the induction winding 4, which essentially consists of positive and negative impulses which occur at the time of the magnetic reversal of the magnetic core 1 and follow one another at equal time intervals. If, on the other hand, the instantaneous value of the measurement current Im is greater than zero, this supports the magnetizing effect of the bias current Iv, as a result of which the positive and negative pulses of the induction voltage Ua are shifted over time. This time shift can be evaluated as a measure of the strength and direction of the measuring current Im. The induction winding 4 is not absolutely necessary, since a voltage is also induced in the premagnetization winding 3, the course of which over time can serve in the same way as a measure of the measuring current Im.

Der bekannte Messwandler liefert eine Induktionsspannung Ua, deren Impulse verhältnismässig breit sind und eine geringe Flankensteilheit aufweisen. Zudem ist die Addition der 25 beteiligten Magnetflüsse bzw. Magnetfelder in der Nähe der Sättigung des Magnetkerns 1 schwierig zu beherrschen, was zu einem komplizierten Wicklungsaufbau oder zu aufwendigen Abgleichoperationen führt. Ausserdem ist die zeitliche Verschiebung der Impulse gegenüber dem Magnetfeld-Nulldurch-3o gang verhältnismässig gross. Diese Situation ändert sich nur unwesentlich, wenn der Magnetkern 1 eine Verjüngung zur Verminderung der Sättigungsfeldstärke aufweist. Der bekannte Messwandler ist daher zur Präzisionsmessung schnell veränderlicher Messströme nicht geeignet. 35 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messwandler der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Magnetfeldkomparator praktisch verzögerungsfrei ist und dessen Ausgangsimpulse den Zeitpunkt des Magnetfeld-Nulldurchgangs eindeutig und mit grosser Genauigkeit markieren. 40 Die Erfindung besteht in den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. The known transducer supplies an induction voltage Ua, the pulses of which are relatively wide and have a low slope. In addition, the addition of the 25 magnetic fluxes or magnetic fields involved in the vicinity of the saturation of the magnetic core 1 is difficult to master, which leads to a complicated winding structure or to complex adjustment operations. In addition, the time shift of the pulses is relatively large compared to the magnetic field zero crossing. This situation changes only insignificantly if the magnetic core 1 has a taper to reduce the saturation field strength. The known measuring transducer is therefore not suitable for the precision measurement of rapidly changing measuring currents. 35 The invention has for its object to provide a transducer of the type mentioned, the magnetic field comparator is practically instantaneous and the output pulses mark the time of the magnetic field zero crossing clearly and with great accuracy. 40 The invention consists in the features specified in the characterizing part of patent claim 1.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen bekannten Messwandler, Some exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. 1 shows a known transducer,

"5 Fig. 2 einen auf ein Substrat aufgetragenen Magnetfilm Fig. 3 bis 7 verschiedene Ausführungsformen von Messwandlern mit einem Magnetkern, "5 Fig. 2 shows a magnetic film applied to a substrate. Fig. 3 to 7 different embodiments of transducers with a magnetic core,

Fig. 8 ein Diagramm, 8 is a diagram,

Fig. 9 und 10 Stromteiler für den Messstrom und 5» Fig. 11 bis 13 verschiedene Messwandler ohne Magnetkern. In der Fig. 2 bedeutet 5 einen vorzugsweise anisotropen Magnetfilm, dessen Dicke d im Vergleich zur Länge h und zur Breite b sehr gering ist. Dieser Magnetfilm 5, der erfindungsge-mäss als Magnetfeldkomparator dient, ist vorzugsweise auf ein 55 nichtmagnetisches Substrat 6 aufgetragen, das ihm die erforderliche mechanische Festigkeit verleiht und z. B. aus einem Glas- oder Kunststoffplättchen besteht. Das Auftragen des Magnetfilms 5 auf das Substrat 6 kann nach bekannten Verfahren durch Aufdampfen im Vakuum oder durch galvanische 60 Beschichtung erfolgen. Der Magnetfilm 5 kann z. B. auch eine durch Walzen hergestellte, auf das Substrat 6 aufgeklebte Folie sein. Als Werkstoff für den Magnetfilm 5 eignen sich z. B. bekannte NiFe- oder NiFeCr-Magnetlegierungen. Fig. 9 and 10 current divider for the measuring current and Fig. 11 to 13 different transducers without a magnetic core. In FIG. 2, 5 denotes a preferably anisotropic magnetic film, the thickness d of which is very small compared to the length h and the width b. This magnetic film 5, which serves as a magnetic field comparator according to the invention, is preferably applied to a 55 non-magnetic substrate 6, which gives it the required mechanical strength and z. B. consists of a glass or plastic plate. The magnetic film 5 can be applied to the substrate 6 by known methods by vapor deposition in a vacuum or by galvanic coating. The magnetic film 5 can e.g. B. can also be a film made by rolling and glued to the substrate 6. As a material for the magnetic film 5 z. B. known NiFe or NiFeCr magnet alloys.

Der anisotrope Magnetfilm 5 kann in den weiter unten 65 beschriebenen Messwandlern prinzipiell in der magnetischen Vorzugsrichtung oder in der schweren Richtung betrieben werden. Beim Betrieb in der Vorzugsrichtung soll die Koerzi-tivfeldstärke des Magnetfilms 5 möglichst gering und die The anisotropic magnetic film 5 can, in principle, be operated in the preferred magnetic direction or in the heavy direction in the measuring transducers described below. When operating in the preferred direction, the coercive field strength of the magnetic film 5 should be as low as possible and the

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Wandgeschwindigkeit gross sein. Eine möglichst geringe Anisotropiefeldstärke ist beim Betrieb in der schweren Richtung vorteilhaft. Die Funktionsbeschreibung der im folgenden erläuterten Ausführungsbeispiele bezieht sich auf den Betrieb in der magnetischen Vorzugsrichtung, der sich als besonders vorteil- 5 haft erwiesen hat. Wall speed must be large. The lowest possible anisotropy field strength is advantageous when operating in the heavy direction. The functional description of the exemplary embodiments explained below relates to operation in the magnetic preferred direction, which has proven to be particularly advantageous.

In der Fig. 3 sind gleiche Teile wie in den Fig. 1 und 2 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Ein Magnetkern 7, der aus ferromagnetischem Material mit hoher Permeabilität besteht, wiederum die Vormagnetisierungswicklung 3 trägt und10 den Messleiter 2 zangenförmig umfasst, unterscheidet sich vom Magnetkern 1 der Fig. 1 durch einen Luftspalt 8, der mit dem Magnetfilm 5 überbrückt ist. Die beiden längsseitigen Enden des Magnetfilms 5 sind auf der äusseren Mantelfläche des Magnetkerns 7 an diesem befestigt, beispielsweise aufgeklebt. '5 Der Magnetfilm 5 ist vorteilhaft wesentlich länger als der Luftspalt 8, so dass zwischen dem Magnetkern 7 und dem Magnetfilm 5 möglichst grosse Berührungsflächen 9 entstehen. Falls der Magnetfilm 5 auf einem Substrat 6 (Fig. 2) angeordnet ist, so liegt dieses in der Fig. 3 der besseren Übersichtlichkeit hai- 20 ber nicht gezeichnete Substrat vorteilhaft auf der dem Magnetkern 7 abgewandten Aussenfläche des Magnetfilms 5, damit an den Berührungsflächen 9 zwischen dem Magnetkern 7 und dem Magnetfilm 5 kein Luftspalt entsteht. Die Breite des Magnetfilms 5 entspricht etwa jener des Magnetkerns 1. 25 Der beschriebene Messwandler arbeitet wie folgt: Im Ruhezustand ist der Magnetfilm 5 gesättigt und seine Permeabilität entspricht jener des Vakuums. Durch den Messstrom Im und den Vormagnetisierungsstrom Iv, die den Magnetkern 7 durchfluten, wird im Luftspalt 8, wo der Magnetfilm 5 angebracht ist, ein magnetisches Aussenfeid Ha aufgebaut, für das unter der Annahme idealer Verhältnisse gilt: In Fig. 3, the same parts as in Figs. 1 and 2 are designated by the same reference numerals. A magnetic core 7, which consists of ferromagnetic material with high permeability, in turn carries the bias winding 3 and 10 includes the measuring conductor 2 in the form of pliers, differs from the magnetic core 1 of FIG. 1 by an air gap 8 which is bridged with the magnetic film 5. The two longitudinal ends of the magnetic film 5 are fastened to the outer lateral surface of the magnetic core 7, for example glued on. The magnetic film 5 is advantageously considerably longer than the air gap 8, so that the largest possible contact surfaces 9 are formed between the magnetic core 7 and the magnetic film 5. If the magnetic film 5 is arranged on a substrate 6 (FIG. 2), then in FIG. 3 for better clarity, the substrate is advantageously not shown on the outer surface of the magnetic film 5 facing away from the magnetic core 7, and thus on the contact surfaces 9 no air gap arises between the magnetic core 7 and the magnetic film 5. The width of the magnetic film 5 corresponds approximately to that of the magnetic core 1. 25 The described measuring transducer works as follows: In the idle state, the magnetic film 5 is saturated and its permeability corresponds to that of the vacuum. Due to the measuring current Im and the bias current Iv flowing through the magnetic core 7, a magnetic outer field Ha is built up in the air gap 8, where the magnetic film 5 is attached, for which, assuming ideal conditions, the following applies:

I + n v m m I + n v m m

H = —— H = ——

a 1 a 1

wobei nv die Windungszahl der Vormagnetisierungswicklung 3, nm die Windungszahl des Messleiters 2 und 1 die Länge des Luftspaltes 8 bedeutet. Sobald dieses Aussenfeid Ha die Wandbewegungsfeldstärke des Magnetfilms 5 überschreitet, beginnt im Magnetfilm ein Ummagnetisierungsvorgang, der sich durch die Verschiebung einer Blöchwand deuten lässt. Diese Verschiebung geht sehr rasch vor sich, so dass die Magnetisierung Null im Magnetfilm 5 gegenüber dem Zustand Ha = 0 um einen nur sehr geringen Betrag verzögert auftritt. In diesem Zeitintervall ist die Permeabilität des Magnetfilms 5 sehr gross, der magnetische Kreis ist über den Magnetfilm maximal geschlossen und der Magnetfluss im magnetischen Kreis steigt steil an. Diese Magnetflussänderung äussert sich in einem steilen Spannungssprung in der Vormagnetisierungswicklung 3 und gegebenenfalls in einer Induktionswicklung 4 (Fig. 1). Danach wird der Magnetfilm 5 in der anderen Richtung gesättigt, seine Permeabilität entspricht wieder der des Vakuums, die Blöchwand hat die ganze Filmbreite durchlaufen. where nv is the number of turns of the bias winding 3, nm is the number of turns of the measuring conductor 2 and 1 is the length of the air gap 8. As soon as this external field Ha exceeds the wall movement field strength of the magnetic film 5, a magnetic reversal process begins in the magnetic film, which can be interpreted by the displacement of a hole in the wall. This shift takes place very quickly, so that the magnetization zero in the magnetic film 5 is delayed by a very small amount compared to the state Ha = 0. In this time interval, the permeability of the magnetic film 5 is very large, the magnetic circuit is maximally closed via the magnetic film and the magnetic flux in the magnetic circuit rises steeply. This change in magnetic flux manifests itself in a steep voltage jump in the bias winding 3 and possibly in an induction winding 4 (FIG. 1). Then the magnetic film 5 is saturated in the other direction, its permeability again corresponds to that of the vacuum, the Blöchwand has run through the entire width of the film.

Für das effektive, den Magnetfilm 5 schaltende Magnetfeld Heffgilt: For the effective magnetic field Heff that switches the magnetic film 5:

H H

n .1 4- n .1 v v m m eff n .1 4- n .1 v v m m eff

11 + 11 +

L L

1 ■ 1 ■

a ■ 4ît u. a ■ 4ît u.

wobei L die Länge des magnetischen Kreises im Magnetkern 7, A dessen Querschnittsfläche, a die Querschnittsfläche des Magnetfilms 5, Ms die Sättigungsmagnetisierung des Magnetfilms, u0 die absolute Permeabilität und nr die relative Permeabilität des Magnetkerns bedeutet. Die Proportionalitätsbedienung where L is the length of the magnetic circuit in the magnetic core 7, A is its cross-sectional area, a is the cross-sectional area of the magnetic film 5, Ms is the saturation magnetization of the magnetic film, u0 is the absolute permeability and nr is the relative permeability of the magnetic core. The proportionality control

H H

eff eff

(n v (nv

+ n rn + n rn

Im) = Im) =

S I S I

ist erfüllt, wenn in der oben angeführten Gleichung für Heff der zweite Term verschwindet, also gilt : is satisfied if the second term for Heff disappears in the above equation, so the following applies:

A » a und/oder 1 • [i » L A »a and / or 1 • [i» L

Die Einhaltung der zweiten Ungleichung ergibt ausserdem den grösstmöglichen Proportionalitätsfaktor k = 1/1 zwischen Heff und SI, weil dann gilt: Compliance with the second inequality also results in the greatest possible proportionality factor k = 1/1 between Heff and SI, because then:

i i

1 » - 1 " -

u u

Der Messstrom Im und der Vormagnetisierungsstrom Iv werden also am Ort des als Magnetfeldkomparator arbeitenden Magnetfilms 5 auf dem Umweg über den magnetischen Fluss im Magnetkern 7 in genau proportionale Magnetfelder umgewandelt. Der Zeitpunkt des Nulldurchgangs dieses Magnetfeldes wird durch einen Ausgangsimpuls, der eine grosse Steilheit und gegenüber dem Ereignis SI = 0 eine minimale Verzögerung aufweist, eindeutig und mit grosser Genauigkeit markiert. Ferner ist die zeitliche Lage des Ausgangsimpulses weitgehend unabhängig vom Winkel, unter dem sich die Ströme Im und Iv im Strom-Zeit-Diagramm kreuzen. The measuring current Im and the bias current Iv are thus converted into precisely proportional magnetic fields at the location of the magnetic film 5 working as a magnetic field comparator via the magnetic flux in the magnetic core 7. The point in time of the zero crossing of this magnetic field is unambiguously and with great accuracy marked by an output pulse which has a high slope and a minimal delay compared to the event SI = 0. Furthermore, the temporal position of the output pulse is largely independent of the angle at which the currents Im and Iv intersect in the current-time diagram.

Die erwähnten Vorteile beruhen auf den mit einem sehr dünnen Magnetfilm erzielbaren besonderen magnetischen The advantages mentioned are based on the special magnetic achievable with a very thin magnetic film

Eigenschaften, nämlich einer kleinen dynamischen Koerzitiv-feldstärke, einer grossen Schaltgeschwindigkeit des Magnet-w films, kleiner Wirbelstromverluste, kleiner Sättigungsfeldstärke, kleiner Entmagnetisierung (Scherung), kleiner Dispersion der magnetischen Eigenschaften innerhalb des kleinen und dünnen Magnetfilms durch hohe metallurgische Reinheit und Homogenität sowie hoher uniaxiale Anisotropie. 55 Die Dicke d des Magnetfilms 5 soll höchstens einige Mikron betragen, um die Sättigungsfeldstärke, die Entmagnetisierung und die Wirbelstromverluste möglichst klein zu halten. Eine grössere Filmdicke äussert sich zwar in einem grösseren Energieinhalt der Ausgangsimpulse, wirkt sich aber vor allem b» in einer zeitlichen Verbreiterung und nicht in einer spannungs-mässigen Vergrösserung der Ausgangsimpulse aus. Besonders vorteilhaft beträgt die Filmdicke d höchstens 2 Mikron; dies ergibt vernachlässigbare Wirbelstromverluste im Magnetfilm 5 und damit eine Schaltgeschwindigkeit, die nur noch durch es Stoffparameter des Magnetfilms, wie Wandmobilität, Reinheit usw., begrenzt ist. Properties, namely a small dynamic coercive field strength, a high switching speed of the magnetic film, small eddy current losses, small saturation field strength, small demagnetization (shear), small dispersion of the magnetic properties within the small and thin magnetic film due to high metallurgical purity and homogeneity as well as high uniaxial anisotropy. 55 The thickness d of the magnetic film 5 should be at most a few microns in order to keep the saturation field strength, the demagnetization and the eddy current losses as small as possible. A larger film thickness manifests itself in a greater energy content of the output impulses, but primarily has an effect in broadening the time and not in increasing the output impulses in terms of voltage. The film thickness d is particularly advantageously at most 2 microns; this results in negligible eddy current losses in the magnetic film 5 and thus a switching speed that is only limited by material parameters of the magnetic film, such as wall mobility, purity, etc.

Weitere Vorteile des beschriebenen Messwandlers sind in der leichten Herstellbarkeit und in der Widerstandsfähigkeit Further advantages of the transducer described are that it is easy to manufacture and that it is resistant

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der magnetischen Parameter gegen mechanische Beanspruchungen, in der Freiheit von Magnetostriktion, der Möglichkeit zur kontinuierlichen Fertigung und der problemlosen Befestigungsmöglichkeit der Magnetfolie 5 durch Kleben und dergleichen zu sehen. the magnetic parameters against mechanical stress, in the absence of magnetostriction, the possibility of continuous production and the problem-free fastening possibility of the magnetic film 5 by gluing and the like.

Die Fig. 4 bis 7 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen der Vormagnetisierungswicklung 3, der Induktionswicklung 4 und des Magnetkerns, die weitgehend miteinander kombinierbar sind. In den Fig. 4 bis 6 sind die Vormagnetisierungswicklung 3 und die Induktionswicklung 4 als Zylinderspulen ausgebildet, die in den Fig. 4 und 5 axial nebeneinander und in der Fig. 6 konzentrisch angeordnet sind. In der Fig. 7 umschlingt die Induktionswicklung 4 den Magnetfilm 5 im Bereich des Luftspaltes, wodurch ein Übersprechen des Vormagnetisierungsstroms Iv auf die Induktionswicklung 4 weitgehend verhindert wird. 4 to 7 show advantageous configurations of the bias winding 3, the induction winding 4 and the magnetic core, which can largely be combined with one another. 4 to 6, the bias winding 3 and the induction winding 4 are designed as cylindrical coils, which are arranged axially next to one another in FIGS. 4 and 5 and concentrically in FIG. 6. 7, the induction winding 4 wraps around the magnetic film 5 in the region of the air gap, as a result of which crosstalk of the bias current Iv onto the induction winding 4 is largely prevented.

Der Magnetkern 10 nach der Fig. 4 besteht aus einem U-för-migenTeil mit nach innen abgewinkelten Polschuhen 11,12, an deren in einer gemeinsamen Ebene liegenden Polflächen der Magnetfilm 5 befestigt ist. Der Magnetkern 13 nach der Fig. 5 besteht ebenfalls aus einem U-förmigen Teil mit nach innen abgewinkelten Polschuhen 14,15, wobei jedoch die Innenflächen 16,17 der Polschuhenden wieder parallel zu den Schenkeln des U-förmigen Teils verlaufen. Dadurch können Sättigungserscheinungen in den Polschuhen 14,15 vermieden werden. The magnetic core 10 according to FIG. 4 consists of a U-shaped part with inwardly angled pole shoes 11, 12, on the pole surfaces of which the magnetic film 5 is attached in a common plane. The magnetic core 13 according to FIG. 5 also consists of a U-shaped part with inwardly angled pole shoes 14, 15, but the inner surfaces 16, 17 of the pole shoe ends again running parallel to the legs of the U-shaped part. In this way, saturation phenomena in the pole shoes 14, 15 can be avoided.

Der U-förmige Magnetkern 18 nach den Fig. 6 und 7 weist keine Polschuhe auf; die Länge des Luftspaltes entspricht etwa der Spulenbreite der Vormagnetisierungswicklung 3. The U-shaped magnetic core 18 according to FIGS. 6 and 7 has no pole shoes; the length of the air gap corresponds approximately to the coil width of the bias winding 3.

Bei den beschriebenen Messwandlern können die Windungszahl nv der Vormagnetisierungswicklung 3, die Windungszahl ns der Induktionswicklung 4 und die Länge 1 des Luftspaltes 8 (Fig. 3) weitgehend unabhängig voneinander gewählt werden. Mit der Windungszahl nv wird der Vormagnetisierungsstrom Iv, dessen Amplitude vorteilhaft nicht grösser als einige zehn Milliampere ist, um aufwendige Hilfsmittel zu seiner Erzeugung zu vermeiden, an den Messstrom Im angepasst. Die Windungszahl ns bestimmt die Höhe der induzierten Ausgangsspannung Ua. Mit der Wahl der Luftspaltlänge 1 wird die im Luftspalt 8 erzeugte Feldstärke Ha festgelegt. In the measuring transducers described, the number of turns nv of the bias winding 3, the number of turns ns of the induction winding 4 and the length 1 of the air gap 8 (FIG. 3) can be selected largely independently of one another. With the number of turns nv, the bias current Iv, the amplitude of which is advantageously not greater than a few tens of milliamperes, in order to avoid complex aids for its generation, is adapted to the measurement current Im. The number of turns ns determines the level of the induced output voltage Ua. With the choice of the air gap length 1, the field strength Ha generated in the air gap 8 is determined.

Die Fig. 8 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung Ua in Funktion der Zeit t, der an einem Messwandler gemäss der Fig. 4 mit den folgenden Daten ermittelt wurde: FIG. 8 shows the course of the output voltage Ua as a function of time t, which was determined on a measuring transducer according to FIG. 4 with the following data:

strompfad 23 und einen Nebenschlussstrompfad 24 aufteilt. Die beiden Strompfade 23,24 sind in entgegengesetzter Richtung halbkreisförmig ausgehuchtet und bilden eine Öse, in die der Magnetkern 7,10,13 oder 18 derart eingeführt werden kann, 5 dass der magnetische Kreis des Magnetkerns den Messstrompfad 23 umschliesst. current path 23 and a shunt current path 24. The two current paths 23, 24 are semi-circularly balanced in the opposite direction and form an eyelet into which the magnetic core 7, 10, 13 or 18 can be inserted in such a way that the magnetic circuit of the magnetic core encloses the measuring current path 23.

Die Fig. 10 zeigt einen ebenfalls aus einer einzigen, hier jedoch flachen Metallplatte bestehenden Stromteiler 25 mit Stromanschlüssen 26,27, einem Nebenschlussstrompfad 28 und io einem von diesem durch einen ausgestanzten Ausschnitt 29 getrennten Messstrompfad 30. Der Magnetkern 7,10,13 oder 18 wird hier in den Ausschnitt 29 eingeführt, so dass der magnetische Kreis des Magnetkerns den Messstrompfad 30 umschliesst. 10 shows a current divider 25 likewise consisting of a single, but here flat, metal plate with current connections 26, 27, a shunt current path 28 and a measuring current path 30 separated from it by a cut-out cutout 29. The magnetic core 7, 10, 13 or 18 is introduced here in the cutout 29 so that the magnetic circuit of the magnetic core encloses the measuring current path 30.

i5 Die Ausbildung des Stromteilers 19 bzw. 25 als einstückige Metallplatte gewährleistet ein konstantes, von Umwelteinflüssen unabhängiges Stromteilerverhältnis. Die durch den Stromteiler 19 bzw. 25 verursachte Phasenverschiebung i5 The design of the current divider 19 or 25 as a one-piece metal plate ensures a constant current divider ratio that is independent of environmental influences. The phase shift caused by the current divider 19 or 25

? ?

= arc tan wL R = arc tan wL R

Material des Magnetkerns 10 Material des Magnetfilms 5 Länge h des Magnetfilms 5 Breite b des Magnetfilms 5 Dicke d des Magnetfilms 5 Länge I des Luftspaltes Windungszahl nv der Wicklung 3 Windungszahl ns der Wicklung 4 Amplitude des Stromes Iv Frequenz des Stromes Iv Material of the magnetic core 10 Material of the magnetic film 5 Length h of the magnetic film 5 Width b of the magnetic film 5 Thickness d of the magnetic film 5 Length I of the air gap Number of turns nv of the winding 3 Number of turns ns of the winding 4 Amplitude of the current Iv Frequency of the current Iv

Ferrit NiFe 5 mm 1 mm Ferrite NiFe 5 mm 1 mm

1,5 Mikron 1 mm 250 250 20 mA 1 kHz 1.5 micron 1 mm 250 250 20 mA 1 kHz

Es wurde eine Amplitude des Ausgangsimpulses von 30 mV, eine Anstiegszeit tr von 5 (xs, eine Abfallzeit tf von 11 jxs sowie eine Impulsdauer tp von 10 us gemessen. An amplitude of the output pulse of 30 mV, a rise time tr of 5 (xs, a fall time tf of 11 jxs and a pulse duration tp of 10 us were measured.

Um mit dem Messwandler sehr hohe Ströme messen zu können und die Windungszahl nv sowie den Vormagnetisierungsstrom Iv trotzdem in annehmbaren Grenzen zu halten, kann es zweckmässig sein, den zu messenden Strom mit Hilfe eines Stromteilers in den Messstrom Im und einen Nebenschlussstrom aufzuteilen. Die Fig. 9 und 10 zeigen vorteilhafte Ausführungsformen für einen solchen Stromteiler. In order to be able to measure very high currents with the measuring transformer and still keep the number of turns nv and the bias current Iv within acceptable limits, it can be expedient to divide the current to be measured into a measuring current Im and a shunt current using a current divider. 9 and 10 show advantageous embodiments for such a current divider.

Der Stromteiler 19 nach der Fig. 9 besteht aus einer einzigen Metallplatte, die Stromanschlüsse 20,21 sowie einen längs zur Stromflussrichtung verlaufenden Schnitt 22 aufweist, welcher den mittleren Bereich der Metallplatte in einen Mess(co = Kreisfrequenz, L = Induktivität des Messwandlers, R = Widerstand des Messstrompfades 23 bzw. 30) kann klein gehalten werden, wenn ein kleiner Querschnitt der Metallplatte und 25 damit ein grosser Widerstand R des Messstrompfades sowie durch entsprechende Dimensionierung des Messwandlers eine möglichst kleine Induktivität L gewählt werden. Eine gewisse Kompensation der Phasenverschiebung tp ergibt sich bereits durch die endliche Schaltgeschwindigkeit des Magnetfilms 5; 30 eine allenfalls erforderliche zusätzliche Kompensation kann mit einfachen Phasenschiebergliedern oder durch die Belegung des Nebenschlusspfades 24 bzw. 28 durch eine weichmagnetische Schicht geeigneter Dicke erzielt werden. The current divider 19 according to FIG. 9 consists of a single metal plate which has current connections 20, 21 and a cut 22 running along the direction of the current flow, which cuts the central region of the metal plate into a measurement (co = angular frequency, L = inductance of the transducer, R = Resistance of the measuring current path 23 or 30) can be kept small if a small cross-section of the metal plate and 25 thus a large resistance R of the measuring current path as well as the smallest possible inductance L are chosen by appropriate dimensioning of the measuring transformer. A certain compensation of the phase shift tp already results from the finite switching speed of the magnetic film 5; 30 Any additional compensation that may be required can be achieved with simple phase shifter elements or by covering the shunt path 24 or 28 with a soft magnetic layer of suitable thickness.

Bei den vorstehend beschriebenen Messwandlern erfolgt, 35 wie bereits erwähnt, die Umwandlung des Messstromes Im und des Vormagnetisierungsstromes Iv in proportionale Magnetfelder auf dem Umweg über den Magnetfluss in einem Magnetkern. Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele erläutert, bei denen der Messstrom Im und der Vormagnetisierungs-40 ström Iv am Ort des Magnetfilms 5 unmittelbar in proportionale Magnetfelder umgewandelt werden, so dass kein Magnetkern erforderlich ist. In the measuring transducers described above, 35 as already mentioned, the measurement current Im and the bias current Iv are converted into proportional magnetic fields by way of the magnetic flux in a magnetic core. Some exemplary embodiments are explained below in which the measurement current Im and the bias current 40 Iv at the location of the magnetic film 5 are converted directly into proportional magnetic fields, so that no magnetic core is required.

In der Fig. 11 weist ein den Messstrom Im führender Messleiter 31 die Form eines Flachleiters auf. Die Vormagnetisierungs-45 wicklung 3 ist durch eine scheibenförmige Flachspule 32 gebildet. Der Magnetfilm 5 ist zwischen dem Messleiter 31 und einem zu diesem parallelen Teil der Flachspule 32 in einer Zone angeordnet, in welcher sowohl das durch den Messstrom Im erzeugte magnetische Oberflächenfeld des Messleiters 31 als 50 auch das durch den Vormagnetisierungsstrom Iv erzeugte magnetische Oberflächenfeld der Flachspule 32 homogen sind. Eine solche, allein von geometrischen Faktoren abhängige Zone homogenen Magnetfeldes kann geschaffen werden, wenn der Messleiter 31 und der zu diesem parallele Teil der Flach-55 spule 32 möglichst nahe aufeinander liegen und einen möglichst flachen Querschnitt, d. h. eine im Vergleich zur Breite bi bzw. bi geringe Dicke di bzw. d2 aufweisen. 11, the measuring current in the leading measuring conductor 31 is in the form of a flat conductor. The pre-magnetization winding 3 is formed by a disk-shaped flat coil 32. The magnetic film 5 is arranged between the measuring conductor 31 and a part of the flat coil 32 parallel to it in a zone in which both the magnetic surface field of the measuring conductor 31 and 50 generated by the measuring current Im and the magnetic surface field of the flat coil 32 generated by the bias current Iv are homogeneous. Such a homogeneous magnetic field, which is solely dependent on geometric factors, can be created if the measuring conductor 31 and the part of the flat coil 32 parallel to it lie as close as possible to one another and a cross section which is as flat as possible, i.e. H. have a small thickness di or d2 compared to the width bi or bi.

Die Flachspule 32 kann als selbsttragende Spule aus Band oder aus Draht mit einer oder mehreren Windungen je Wick-60 lungslage hergestellt werden. Ferner kann die Flachspule aus einer oder mehreren Leiterplatten bestehen, die ein- oder beidseitig eine spiralenförmige Kupferschicht in der Art einer geätzten gedruckten Schaltung aufweisen. Der Magnetfilm 5 kann beispielsweise unmittelbar auf den Messleiter 31 geklebt 65 werden. The flat coil 32 can be produced as a self-supporting coil made of tape or wire with one or more turns per winding layer. Furthermore, the flat coil can consist of one or more printed circuit boards which have a spiral-shaped copper layer on one or both sides in the manner of an etched printed circuit. The magnetic film 5 can, for example, be glued 65 directly to the measuring conductor 31.

Der Messwandler nach der Fig.' 12 unterscheidet sich von jenem nach der Fig. 11 nur dadurch, dass die Vormagnetisierungswicklung 3 durch eine Flachzylinderspule 33 gebildet ist, The transducer according to Fig. ' 12 differs from that according to FIG. 11 only in that the bias winding 3 is formed by a flat cylindrical coil 33,

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wobei der Magnetfilm 5 zwischen dem Messleiter 31 und der linderspule 34 herausragenden Magnetfilms 5 und reduziert einen Flachseite der Flachzylinderspule liegt. Am Ort des dadurch die Entmagnetisierung (Scherung) im Magnetfilm 5. Magnetfilms 5 überlagern sich das magnetische Aussenfeid der Die beschriebenen Messwandler dienen zur potentialfreien Flachzylinderspule 33 und das magnetische Oberflächenfeld Messung von Gleich- oder Wechselströmen. Durch Reihendes Messleiters 31. 5 Schaltung eines hochohmigen Widerstandes mit dem Messlei-In der Fig. 13 bedeutet 34 eine Flachzylinderspule, welche ter, durch Ersatz des Messleiters durch eine Wicklung mit ent-die Vormagnetisierungswicklung 3 bildet und den Magnetfilm 5 sprechend hoher Windungszahl oder durch Kombination der umschlingt. Ein den Messstrom Im führender, als Flachleiter beiden genannten Möglichkeiten können mit ihnen auch ausgebildeter Messleiter 35 umschlingt die Flachzylinderspule Gleich- oder Wechselspannungen gemessen werden. Sie liefern 34 schlaufenartig. Am Ort des Magnetfilms 5 überlagern sich 10 sehr steile und schmale Ausgangsimpulse, deren zeitliche Ver-das magnetische Innenfeld der Flachzylinderspule 34 und jenes Schiebung als Mass für den Momentanwert der Grösse und der durch den Messleiter 35 gebildeten Schlaufe. Ein magneti- Richtung des zu messenden elektrischen Signals verwendet scher Rückschluss 36 aus einem Material mit hoher Permeabili- werden kann. Vorteilhaft werden die beschriebenen Mess-tät sorgt für eine magnetische Verbindung zwischen den bèi- wandler als Eingangswandler in statischen Elektrizitätszählern den einander gegenüberliegenden Enden des aus der Flachzy- 15 verwendet. wherein the magnetic film 5 lies between the measuring conductor 31 and the magnetic coil 34 projecting magnetic film 5 and reduces a flat side of the flat cylindrical coil. At the location of the demagnetization (shear) in the magnetic film 5. Magnetic film 5 overlap the magnetic outer field of the described transducers serve for the potential-free flat cylindrical coil 33 and the magnetic surface field measurement of direct or alternating currents. By connecting the measuring conductor 31. 5 connection of a high-impedance resistor with the measuring wire. In FIG. 13, 34 means a flat cylindrical coil, which, by replacing the measuring conductor with a winding with a corresponding pre-magnetizing winding 3, and the magnetic film 5 with a correspondingly high number of turns or through Combination of wraps. A measuring current in a leading manner, as the flat conductor in both of the two mentioned measuring conductors 35, the flat cylindrical coil can also be used to measure direct or alternating voltages. They deliver 34 loops. At the location of the magnetic film 5, 10 very steep and narrow output pulses are superimposed, their temporal displacement, the magnetic inner field of the flat cylindrical coil 34 and that shift as a measure of the instantaneous value of the size and the loop formed by the measuring conductor 35. A magnetic direction of the electrical signal to be measured uses shear inference 36 which can be made of a material with high permeability. The measurement activity described is advantageous for a magnetic connection between the béi converter used as an input converter in static electricity meters at the opposite ends of the flat-cell 15.

G G

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

618043 PATENT CLAIMS

1.Measuring transducer for the potential-free measurement of currents or voltages, with a measuring conductor carrying the measuring current, with a biasing winding carrying a bias current and with a magnetic field comparator which is exposed to the magnetic field generated by the measuring current and the bias current and by the magnetic field generated by the bias current is controlled alternately in both saturation directions, characterized in that the magnetic field comparator is a magnetic film (5) with a very small thickness (d) compared to the length (h) and width (b).

2. Transducer according to claim 1, characterized in that the magnetic film (5) is arranged on a substrate (6).

3. Measuring transducer according to claim 2, characterized in that the magnetic film (5) is anisotropic and can be magnetized in the preferred magnetic direction by the magnetic field generated by the bias current.

4. Transducer according to one of the claims 1 to 3, characterized in that the magnetic film (5) has a thickness (d) of at most 2 microns.

5. Measuring transducer according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the measuring current (Im) and the bias current (Iv) flow through a magnetic core (7; 10; 13; 18) and that an air gap (8) of the magnetic core with the magnetic film (5) is bridged.

6. Transducer according to claim 5, characterized in that the two ends of the magnetic film (5) are each attached to a pole piece (11; 12; 14; 15) of the magnetic core (10; 13).

7. A transducer according to claim 5 or 6, characterized in that the magnetic circuit of the magnetic core (7; 10; 13; 18) encloses a measuring current path (23; 30) of a current divider (19; 25) formed from a single metal plate.

8. Measuring transducer according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the measuring conductor (31; 35) is a flat conductor and the bias winding (3) is a coil (32; 33; 34) with a flat cross section and that the magnetic film (5) is arranged in a zone in which both the measuring current (Im) and the bias current (Iv) generate a homogeneous magnetic field.

9. Transducer according to claim 8, characterized in that the magnetic film (5) is arranged between the flat conductor (31) and a part of the coil (32; 33) parallel to this.

10. Measuring transducer according to claim 8, characterized in that the coil (34) is a flat cylindrical coil which is wrapped by the measuring conductor (35) and which wraps around the magnetic film (5).

11. Use of the transducer according to claim 1 as an input transducer in a static electricity meter.