CH649386A5

CH649386A5 - Instrument transformer for the isolated measurement of a current

Info

Publication number: CH649386A5
Application number: CH723480A
Authority: CH
Inventors: Hans Jakob Bosshard; Hans Konrad Schuermann
Original assignee: Landis & Gyr Ag
Priority date: 1980-09-26
Filing date: 1980-09-26
Publication date: 1985-05-15
Also published as: DE3039679A1; DE3039679C2

Description

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PATENTANSPRÜCHE und für sich bekannt (US-PS 4 078 186), waren allerdings bis- PATENT CLAIMS and known per se (US Pat. No. 4,078,186), however, were previously

1. Messwandler zum potentialfreien Messen eines Mess- her zu einem ganz anderen Zweck vorgesehen, nämlich zur stromes, mit einem den Messstrom führenden Messleiter, mit Erzeugung einer sehr hohen veränderbaren Frequenz. 1. Measuring transducer for the potential-free measurement of a measuring instrument is provided for a completely different purpose, namely for the current, with a measuring conductor carrying the measuring current, with generation of a very high variable frequency.

einer einen Hilfsstrom führenden Hilfsstromspule, mit einem Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Er- an auxiliary current coil carrying an auxiliary current, with a few examples of the

Magnetfeldkomparator, der dem vom Messstrom sowie dem s findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Magnetic field comparator, which explains the measurement current and the invention with the aid of the drawing.

vom Hilfsstrom erzeugten Magnetfeld ausgesetzt ist und diese Es zeigen: is exposed to the magnetic field generated by the auxiliary current and these show:

miteinander vergleicht, und mit einer an den Magnetfeldkom- Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Messwandlers, compares with each other, and with one at the magnetic field, Fig. 1 is a schematic diagram of a transducer,

parator angeschlossenen elektronischen Auswerteschaltung Fig. 2 bis 4 Diagramme, und zur Erzeugung eines analogen oder zeitverschlüsselten Abbil- Fig. 5 ein Detail einer Variante des Messwandlers nach des des Messstromes, dadurch gekennzeichnet, dass der Ma- io der Fig. 1. 2 to 4 diagrams, and to generate an analog or time-encrypted image. FIG. 5 shows a detail of a variant of the measuring transducer according to that of the measuring current, characterized in that the may of FIG. 1.

gnetfeldkomparator ein Oszillator (6) mit magnetfeldabhän- In der Fig. 1 bedeutet 1 einen Messleiter, der einen Mess- gnetfeldkomparator an oscillator (6) with magnetic field dependent- In Fig. 1, 1 means a measuring conductor that a

giger Schwingfrequenz (f) ist und dass ein Frequenzdiskrimi- ström Im führt und als Messstromspule 2 um einen Magnet- vibration frequency (f) and that a frequency discriminating current Im leads and as measuring current coil 2 around a magnetic

nator (13) zwischen den Ausgang des Oszillators (6) und den kern 3 gewickelt ist. Dieser Magnetkern 3 trägt auch eine nator (13) between the output of the oscillator (6) and the core 3 is wound. This magnetic core 3 also carries one

Eingang der Auswerteschaltung (12; 21) geschaltet ist. Hilfsstromspule 4, in welcher ein Hilfsstrom Ih fliesst. In ei- Input of the evaluation circuit (12; 21) is switched. Auxiliary current coil 4, in which an auxiliary current Ih flows. In a

2. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- is nem Luftspalt 5 des Magnetkerns 3 entsteht ein resultierendes net, dass der Oszillator (6) ein akustischer Oberflächenwellen- Magnetfeld H, das der Differenz der beiden durch den Messoszillator mit mindestens einer magnetostriktiven Schicht (10) ström Im und den Hilfsstrom Ih erzeugten Magnetfelder ent-ist. spricht. Dem resultierenden Magnetfeld H ist ein als Oberflä- 2. A transducer according to claim 1, characterized gekennzeich- is an air gap 5 of the magnetic core 3, a resulting net that the oscillator (6) an acoustic surface wave magnetic field H, which is the difference between the two by the measuring oscillator with at least one magnetostrictive layer (10 ) current flows in and the auxiliary current Ih generated magnetic fields. speaks. The resulting magnetic field H is a surface

3. Messwandler nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch chenwellen-Oszillator 6 mit magnetfeldabhängiger Schwing-Mittel zur Erzeugung eines konstanten magnetischen Vor- 20 frequenz ausgebildeter Magnetfeldkomparator ausgesetzt, spannfeldes (H0) solcher Stärke, dass der Arbeitspunkt (f0') Der Magnetkern 3 und die Messstromspule 2 sind nicht des Oszillators (6) in einem annähernd linearen Bereich eines unbedingt erforderlich; es ist lediglich dafür zu sorgen, dass Kurvenastes (19) der Frequenz-Magnetfeld-Kurve des Oszil- der magnetfeldempfindliche Teil des Oszillators 6 in einer Zolators (6) liegt, wenn sich die vom Messstrom (Im) und vom ne angeordnet ist, in der sowohl der Messstrom Im als auch Hilfsstrom (Ih) erzeugten Magnetfelder gegenseitig aufheben. 25 der Hilfsstrom Ih ein homogenes Magnetfeld erzeugen. 3. Measuring transducer according to claim 2, characterized by chenwellen oscillator 6 with magnetic field-dependent oscillating means for generating a constant magnetic pre-frequency 20 trained magnetic field comparator exposed to the clamping field (H0) such strength that the operating point (f0 ') of the magnetic core 3 and Measuring current coil 2 are not absolutely necessary for the oscillator (6) in an approximately linear range; it is only necessary to ensure that the curve branch (19) of the frequency-magnetic field curve of the oscillator - the magnetic field-sensitive part of the oscillator 6 lies in a zolator (6) when the measuring current (Im) and the ne are arranged in the magnetic fields generated in Im as well as auxiliary current (Ih) cancel each other out. 25 the auxiliary current Ih generate a homogeneous magnetic field.

4. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da- Der Oszillator 6 besteht im dargestellten Beispiel aus ei-durch gekennzeichnet, dass die Hilfsstromspule (4) an eine nem vorzugsweise piezoelektrischen Substrat 7, auf dessen ei-Stromquelle (17) angeschlossen ist, dass der Hilfsstrom (Ih) ei- nen Fläche zwei interdigitale Übertrager 8,9 und eine magne-nen deterministischen oder stochastischen Kurvenverlauf auf- tostriktive Schicht 10 angeordnet sind, sowie aus einem Verweist und dass dem Frequenzdiskriminator (13) ein Null- 30 stärker 11. Das Substrat 7 mit der magnetostriktiven Schicht schwellenschalter (15) nachgeschaltet ist. 10 bildet eine akustische Oberflächenwellenverzögerungslei- 4. Transducer according to one of claims 1 to 3, because the oscillator 6 in the example shown consists of egg-characterized in that the auxiliary current coil (4) to a nem preferably piezoelectric substrate 7, on the egg-current source (17) is connected that the auxiliary current (Ih) is arranged on a surface of two interdigital transmitters 8, 9 and a magnetic deterministic or stochastic curve shape on tostrictive layer 10, and from a reference and that the frequency discriminator (13) has a zero 30 stronger 11. The substrate 7 with the magnetostrictive layer threshold switch (15) is connected downstream. 10 forms a surface acoustic wave delay line

5. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da- tung. Diese kann z.B. auch aus einem dreischichtigen Aufbau durch gekennzeichnet, dass die Hilfsstromspule (4) an den bestehen, etwa aus einer G.G.G.-Schicht (Gallium-Gadolini-Ausgang eines Reglers (21) angeschlossen ist, dessen Eingang um-Garnet), einer Y.LG.-Schicht (Yttrium-Iron-Garnet) und dem Frequenzdiskriminator (13) nachgeschaltet ist. 35 einer ZnO-Schicht, wobei die Übertrager 8,9 auf der einen 5. A measuring transducer according to one of claims 1 to 4, dung. This can e.g. also characterized by a three-layer structure, characterized in that the auxiliary current coil (4) consists of, for example, a GGG layer (Gallium Gadolini output of a regulator (21), the input of which is connected to Garnet), a Y.LG. Layer (yttrium iron garnet) and the frequency discriminator (13) is connected downstream. 35 a ZnO layer, the transformers 8.9 on one

6. Statischer Elektrizitätszähler mit einem Messwandler und die Y.I.G.-Schicht und die G.G.G.-Schicht auf der ande-nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Eingangswandler. ren Fläche der ZnO-Schicht angeordnet sind. Die typische 6. Static electricity meter with a transducer and the Y.I.G. layer and the G.G.G. layer on the other - according to one of claims 1 to 5 as an input transducer. ren surface of the ZnO layer are arranged. The typical one

Dicke der Schichten beträgt einige Mikron und die Längen- abmessung einige Millimeter. The thickness of the layers is a few microns and the length dimension is a few millimeters.

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Es ist ein Messwandler der im Oberbegriff des Anspruchs Der Verstärker 11 ist über den Übertrager 8, die Oberflä-1 genannten Art bekannt (DE-PS 27 34 729), bei dem als Ma- chenwellenverzögerungsleitung 7,10 und den Übertrager 9 gnetfeldkomparator ein Magnetfilm dient, der annähernd im rückgekoppelt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 11 wird Nulldurchgang des durch den Messstrom und den Hilfsstrom durch den Übertrager 8 in akustische Oberflächenwellen umerzeugten Magnetfeldes ummagnetisiert wird, wodurch in ei- 45 gesetzt. Diese erreichen nach einer Verzögerungszeit x den ner Induktionswicklung ein den Nulldurchgang markierender Übertrager 9 und werden dort in ein elektrisches Signal umge-Spannungsimpuls induziert wird. Ferner ist es bekannt (DE- wandelt, das zum Eingang des Verstärkers 11 gelangt. Die PS 28 25 397), als Magnetfeldkomparator einen magnetoresi- Phasenbedingung führt auf folgend mögliche Schwingfre-stiven Magnetfilm zu verwenden und die im Nulldurchgang quenzen fn des Oszillators 7: It is a transducer which is known in the preamble of the claim. The amplifier 11 is known via the transmitter 8, the type of surface (DE-PS 27 34 729) in which the magnetic field delay line 7, 10 and the transmitter 9 are a magnetic film comparator serves that approximately in the feedback. The output signal of the amplifier 11 becomes zero crossing of the magnetic field converted into surface acoustic waves by the measuring current and the auxiliary current through the transmitter 8, so that it is set to 45. After a delay time x these reach the induction winding a transformer 9 marking the zero crossing and are induced there into an electrical signal reverse voltage pulse. Furthermore, it is known (DE-converts that arrives at the input of the amplifier 11. The PS 28 25 397), as a magnetic field comparator, uses a magnetoresi phase condition which leads to the following possible oscillation-sensitive magnetic film and the frequencies fn of the oscillator 7 at zero crossing:

des Magnetfeldes auftretende Widerstandsänderung zu detek- 50 tieren. of the change in resistance of the magnetic field to be detected.

Schliesslich ist ein Messwandler der im Oberbegriff des n After all, a transducer is in the preamble of n

Anspruchs 1 genannten Art bekannt (CH-PS 593 493), bei f„ = -j-; n= 1,2,3 ... Claim 1 known type (CH-PS 593 493), at f "= -j-; n = 1,2,3 ...

dem als Magnetfeldkomparator eine Hallsonde vorgesehen ist. Beim Betrieb dieses Messwandlers wird der Strom in der 55 which is provided as a magnetic field comparator. When this transducer is operating, the current in the 55th

Hilfsstromspule so lange verändert, bis bei Gleichheit des Durch geeignete Ausgestaltung der Übertrager 8,9 ist in durch den Messstrom erzeugten und des entgegengerichteten, bekannter Weise dafür gesorgt, dass eine einzige Schwingfre- Auxiliary current coil is changed until, in the case of equality of the transformers 8, 9, by means of a suitable design, it is ensured that a single oscillation frequency is generated by the measuring current and in the opposite, known manner.

durch den Hilfsstrom erzeugten Magnetfeldes die von der quenz f in der Grössenordnung von z.B. 200 MHz auftritt. magnetic field generated by the auxiliary current that of the quenz f in the order of e.g. 200 MHz occurs.

Hallsonde abgegebene Hallspannung verschwindet. Die magnetostriktive Schicht 10 verändert in Abhängigkeit Hall voltage output Hall voltage disappears. The magnetostrictive layer 10 changes depending

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Auf- 60 vom resultierenden Magnetfeld H die Verzögerungszeit x und gäbe zugrunde, die Technik auf dem Fachgebiet der im Ober- damit die Schwingfrequenz f des Oszillators 6. Die Fig. 2 zeigt begriff des Anspruchs 1 angegebenen Messwandlergattung ein typisches Beispiel für die Frequenzvariation in Abhängig- The invention specified in claim 1 is based on the resulting magnetic field H, the delay time x and would be based on the technology in the field of oscillation frequency f of the oscillator 6. The FIG. 2 shows the concept of the type of transducer specified in claim 1 a typical example of the frequency variation in dependent

durch eine weitere Lösung zu bereichern. keit vom Magnetfeld H. to enrich with another solution. magnetic field H.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Zwischen den Ausgang des Oszillators 11 und den EinAnsprüchen 2 bis 5 definiert. 65 gang einer elektronischen Auswerteschaltung 12 ist ein Fre- Advantageous developments of the invention are defined in the between the output of the oscillator 11 and the claims 2 to 5. 65 gear of an electronic evaluation circuit 12 is a fre-

Akustische Oberflächenwellenoszillatoren mit einer ma- quenzdiskriminator 13 geschaltet. Im Beispiel der Fig. 1 be- Acoustic surface wave oscillators connected with a frequency discriminator 13. In the example in FIG.

gnetostriktiven Schicht, wie sie hier gemäss Anspruch 2 als steht die Auswerteschaltung 12 aus einem Begrenzer 14, ei- gnetostrictive layer, as here according to claim 2, the evaluation circuit 12 consists of a limiter 14, a

Magnetfeldkomparator vorgeschlagen werden, sind zwar an nem Nullschwellenschalter 15 und gegebenenfalls aus einer Magnetic field comparators are proposed, are at nem zero threshold switch 15 and possibly from one

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Logikschaltung 16. Eine Stromquelle 17 liefert den Hilfsstrom Ih, der einen alternierenden, z.B. dreieckförmigen Kurvenverlauf aufweist. Der dem Frequenzdiskriminator 13 und dem Begrenzer 14 nachgeschaltete Nullschwellenschalter 15 kann ausgangsseitig mit einem ersten und die Stromquelle 17 mit einem zweiten Eingang der Logikschaltung 16 verbunden sein, deren Ausgang mit 18 bezeichnet ist. Logic circuit 16. A current source 17 supplies the auxiliary current Ih, which is an alternating, e.g. triangular curve shape. The zero threshold switch 15 connected downstream of the frequency discriminator 13 and the limiter 14 can be connected on the output side to a first and the current source 17 to a second input of the logic circuit 16, the output of which is designated by 18.

Der beschriebene Messwandler arbeitet wie folgt: The transducer described works as follows:

Wenn kein äusseres Magnetfeld den Oszillator 6 beeinflusse erzeugt dieser Schwingungen mit der Mittenfrequenz f0 (Fig. 2). Das resultierende Magnetfeld H bewirkt eine Verschiebung der Schwingfrequenzen f um die Frequenzabweichung Af (Fig. 3), und der Frequenzdiskriminator 13 liefert eine zur Frequenzabweichung Af proportionale Ausgangsspannung Ud. Diese wird im Begrenzer 14 auf einen Maximalwert Ue begrenzt. Am Ausgang des Nullschwellenschalters 15 entsteht, wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, eine Spannung Us, die den logischen Wert «0» oder «1» annimmt, je nachdem, ob das vom Messstrom Im erzeugte Magnetfeld Hm grösser oder kleiner als das vom Hilfsstrom Ih erzeugte Magnetfeld Hh und somit die Frequenzabweichung Af grösser oder kleiner als null ist. Die Spannung Us markiert die Nulldurchgänge des Magnetfeldes H und stellt ein zeitverschlüsseltes Abbild des Messstromes Im dar. If no external magnetic field influences the oscillator 6, it generates vibrations with the center frequency f0 (FIG. 2). The resulting magnetic field H causes the oscillation frequencies f to be shifted by the frequency deviation Af (FIG. 3), and the frequency discriminator 13 supplies an output voltage Ud proportional to the frequency deviation Af. This is limited in limiter 14 to a maximum value Ue. At the output of the zero-threshold switch 15, as can be seen from FIG. 4, a voltage Us arises which assumes the logical value “0” or “1”, depending on whether the magnetic field Hm generated by the measuring current Im is larger or smaller than that of the Auxiliary current Ih generated magnetic field Hh and thus the frequency deviation Af is greater or less than zero. The voltage Us marks the zero crossings of the magnetic field H and represents a time-encoded image of the measuring current Im.

Je nach dem Kurvenverlauf der Schwingfrequenz f in Abhängigkeit vom Magnetfeld H kann es erforderlich sein, den Oszillator 6 einem konstanten Vorspannfeld H0 solcher Stärke auszusetzen, dass der Arbeitspunkt f0' (Fig. 2) des Oszillators 6 in einem annähernd linearen Bereich eines Kurvenastes der Frequenz-Magnetfeld-Kurve liegt, wenn sich die vom Messstrom Im und vom Hilfsstrom Ih erzeugten Magnetfelder gegenseitig aufheben. Depending on the curve of the oscillation frequency f as a function of the magnetic field H, it may be necessary to expose the oscillator 6 to a constant bias field H0 such that the operating point f0 '(FIG. 2) of the oscillator 6 is in an approximately linear region of a curve branch of the frequency -Magnetic field curve is when the magnetic fields generated by the measuring current Im and the auxiliary current Ih cancel each other out.

Das Vorspannfeld H0, das die Mittenfrequenz f0 in den Arbeitspunkt fQ' verschiebt, kann z.B. mittels eines Permanentmagneten oder eines dem Hilfstrom Ih überlagerten Gleichstromes erzeugt werden. Im Beispiel nach der Fig. 2 befindet sich der Arbeitspunkt f0' auf einem abfallenden Kurvenast 19, der dem Ursprung des Diagramms näher liegt als ein zweiter, bei höherer Magnetfeldstärke wieder ansteigender Kurvenast 20. The bias field H0, which shifts the center frequency f0 to the operating point fQ ', can e.g. be generated by means of a permanent magnet or a direct current superimposed on the auxiliary current Ih. In the example according to FIG. 2, the working point f0 'is on a sloping curve branch 19 which is closer to the origin of the diagram than a second curve branch 20 which rises again with a higher magnetic field strength.

Der zulässige Dynamikbereich des Messstromes Im ist vorerst dadurch begrenzt, dass der Kurvenast 20 einen zweiten Nulldurchgang der Frequenzabweichung Af und damit eine Fehlinformation liefert. Wird eine grössere Dynamik angestrebt, so ist die in der Fig. 1 gestrichelt dargestellte Logikschaltung 16 erforderlich, die eine logische Auswertung des Signalverlaufs der Spannung Us und des Hilfsstromes Ih s durchführt. Da einerseits der Signalverlauf des Hilfsstromes Ih, andererseits die durch die Flanken der Spannung Us markierten Zeitpunkte der Nulldurchgänge der Frequenzabweichung Af und schliesslich die durch den logischen Wert der Spannung Us dargestellten Vorzeichen der Frequenzabwei-chung Af bekannt sind, kann die genannte Fehlinformation in der Logikschaltung 16 eliminiert werden. The permissible dynamic range of the measurement current Im is initially limited by the fact that the curve branch 20 supplies a second zero crossing of the frequency deviation Af and thus incorrect information. If greater dynamics is desired, the logic circuit 16 shown in dashed lines in FIG. 1 is required, which performs a logical evaluation of the signal curve of the voltage Us and the auxiliary current Ih s. Since on the one hand the signal curve of the auxiliary current Ih, on the other hand the times of the zero crossings of the frequency deviation Af marked by the edges of the voltage Us and finally the sign of the frequency deviation Af represented by the logical value of the voltage Us are known, the misinformation mentioned can occur in the logic circuit 16 can be eliminated.

Trotz des nicht genau linearen Verlaufs des Kurvenastes 19 verhält sich das durch die Spannung Us bzw. das Ausgangssignal der Logikschaltung 16 gegebene zeitverschlüssel-15 te Abbild des Messstromes Im zu diesem streng proportional, so dass mit der beschriebenen Anordnung ein linearer Messstromwandler realisiert werden kann. Das gleiche Ergebnis kann nicht nur mit einem deterministischen Kurvenverlauf (d.h. analytisch beschreibbare Funktion), sondern auch mit 20 einem stochastischen Kurvenverlauf (d.h. Zufalls-Funktion) des Hilfsstromes Ih erzielt werden, wenn die Ausgangsspannung Us des Nullschwellenschalters 15 bzw. das Ausgangssignal der Logikschaltung 16 statistisch ausgewertet wird. Despite the not exactly linear course of the curve branch 19, the time-coded image of the measuring current Im given by the voltage Us or the output signal of the logic circuit 16 behaves strictly proportional to this, so that a linear measuring current transformer can be implemented with the arrangement described. The same result can be achieved not only with a deterministic curve profile (ie function that can be described analytically), but also with a stochastic curve profile (ie random function) of the auxiliary current Ih if the output voltage Us of the zero-threshold switch 15 or the output signal of the logic circuit 16 is statistically evaluated.

Gemäss der Fig. 5 kann in der Schaltungsanordnung nach 25 der Fig. 1 als elektronische Auswerteschaltung ein Regler 21 eingesetzt werden, der an die Stelle der Teile 15 bis 17 tritt, wobei der Eingang des Reglers 21 an den Begrenzer 14 bzw. den Frequenzdiskriminator 13 und der Ausgang des Reglers 21 an die Hilfsstromspule 4 angeschlossen wird. Mit Hilfe des 30 Reglers 21 stellt sich der Hilfsstrom Ih so ein, dass das resultierende Magnetfeld H und die Ausgangsspannung Ud des Fre-quenzdiskriminators 13 praktisch verschwinden. Der Hilfsstrom Ih stellt dann ein analoges Abbild des Messstromes dar. 5, a controller 21 can be used as an electronic evaluation circuit in the circuit arrangement according to FIG. 1, which replaces the parts 15 to 17, the input of the controller 21 to the limiter 14 or the frequency discriminator 13 and the output of the controller 21 is connected to the auxiliary current coil 4. With the help of the regulator 21, the auxiliary current Ih is set such that the resulting magnetic field H and the output voltage Ud of the frequency discriminator 13 practically disappear. The auxiliary current Ih then represents an analog image of the measuring current.

Der beschriebene Messwandler eignet sich vorzüglich als 35 Eingangswandler in einem statischen Elektrizitätszähler, da die Oberflächenwellenverzögerungsleitung 7,10 des Oszillators 6, die interdigitalen Übertrager 8,9 und selbstverständlich auch der Frequenzdiskriminator 13 und die Auswerteschaltung 12 bzw. der Regler 21 in integrierter Schaltungs-40 technik als kostengünstige Massenartikel herstellbar sind. Da der Frequenzdiskriminator 13 nicht nur den Zeitpunkt des Nulldurchgangs, sondern auch das Vorzeichen des resultierenden Magnetfeldes H liefert, sind zahlreiche Ausführungsvarianten des beschriebenen Messwandlers möglich. The measuring transducer described is particularly suitable as a 35 input transducer in a static electricity meter, since the surface wave delay line 7, 10 of the oscillator 6, the interdigital transducers 8, 9 and of course also the frequency discriminator 13 and the evaluation circuit 12 or the controller 21 in integrated circuit 40 technology can be produced as inexpensive mass-produced articles. Since the frequency discriminator 13 provides not only the time of the zero crossing, but also the sign of the resulting magnetic field H, numerous design variants of the measuring transducer described are possible.

C C.

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings