CH659895A5

CH659895A5 - Anordnung zum messen eines stromes.

Info

Publication number: CH659895A5
Application number: CH315583A
Authority: CH
Inventors: Mathis Halder; Robert Hausegger
Original assignee: Landis & Gyr Ag
Priority date: 1983-06-09
Filing date: 1983-06-09
Publication date: 1987-02-27
Also published as: DE3324224C2; DE3324224A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Messen eines Stromes der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Zum Messen von Strömen ist es bekannt, in den Stromkreis einen oft als Shunt bezeichneten niederohmigen Widerstand zu schalten und den Spannungsabfall über diesem Widerstand zu messen. Dabei ergibt sich das Problem, dass entweder ein nur sehr kleiner, schwer zu messender Spannungsabfall auftritt oder aber eine verhältnismässig grosse Verlustleistung im Shunt in Kauf genommen werden muss. Da der Spannungsabfall zur Impedanz des Shunt direkt proportional ist, wirkt sich die Temperaturabhängigkeit des Widerstandsmaterials des Shunt unmittelbar auf die Messgenauigkeit aus.

Es ist eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt (DE-OS 2 458 319), bei der die über dem Shunt abfallende Spannung einen nichtinvertierenden Verstärker ansteuert, der einen zum Spannungsabfall proportionalen Strom erzeugt. Auch bei dieser Anordnung wirkt sich die Temperaturabhängigkeit des Shunts unmittelbar auf das Messresultat aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das erzeugte Abbild des zu messenden Stromes weitestgehend temperaturunabhängig ist.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zum Messen eines Stromes,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild,

Fig. 3 eine Variante der Anordnung nach der Fig. I,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit einem Flachleiter und

Fig. 5 einen Flachleiter im Schnitt.

In der Fig. 1 bedeutet 3 einen Stromteiler, der aus einem Hauptstromleiter 1 und einem zu diesem in engem thermischen Kontakt stehenden, elektrisch jedoch isolierten Messleiter 2 besteht. Der Hauptstromleiter 1 einerseits und eine aus dem Messleiter 2 und einem Inversverstärker 4 (inverting amplifier) bestehende Reihenschaltung andererseits sind elektrisch parallel geschaltet. Im dargestellten Beispiel besteht der Messleiter 2 aus zwei Teilleitern 2a und 2b, deren äussere Enden jeweils mit dem einen Ende des Hauptstromleiters 1 verbunden sind und deren einander zugewandte Enden an den Inversverstärker 4 angeschlossen sind. An seinen längsseitigen Enden weist der Stromteiler 3 je einen Anschluss 5 bzw. 6 auf.

Der Inversverstärker 4 besteht aus einem Operationsverstärker 7 mit einem invertierenden Eingang 8 und einem nichtinvertierenden Eingang 9 sowie aus einem Rückkopplungswiderstand 10. Der Differenzeingang 8, 9 des Operationsverstärkers 7 liegt unmittelbar in Reihe mit dem Messleiter 2. Der Rückkopplungswiderstand 10 ist zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang 8 des Operationsverstärkers 7 geschaltet. Eine positive Spannungsquelle 11 und eine negative Spannungsquelle 12 sind einerseits mit dem positiven bzw. negativen Speise-anschluss des Operationsverstärkers 7 und andererseits mit dem Bezugspotential 13 des Inversverstärkers 4 sowie mit dem nichtinvertierenden Eingang 9 verbunden. Die Spannung über dem Differenzeingang 8, 9 des Operationsverstärkers 7 ist in der Zeichnung mit Ue und die Ausgangsspannung an Ausgangsklemmen 14, 15, welche mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 7 bzw. mit dem Bezugspotential 13 verbunden sind, mit Ua bezeichnet.

In der Fig. 2 ist das elektrische Prinzipschaltbild der beschriebenen Messanordnung dargestellt. Die Impedanz des Hauptstromleiters 1 ist mit Ri, jene des Messleiters 2 mit R2 und jene des Rückkopplungswiderstandes 10 mit Rio bezeichnet.

Der zu messende Strom I, der ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom sein kann, fliesst über den Anschluss 5 (Fig. 1) zum Stromteiler 3, wird in Teilströme Ii und I2 aufgeteilt und verlässt den Stromleiter 3 über den Anschluss 6. Im Hauptstromleiter 1 fliesst der Teilstrom Ij. Der Teilstrom I2 fliesst durch den Teilleiter 2a des Messleiters 2, den Rückkopplungswiderstand 10, den Operationsverstärker 7, die Spannungsquelle 11 bzw. 12 und den Teilleiter 2b. Infolge der sehr grossen Verstärkung des Operationsverstärkers 7 ist die Eingangsspannung Ue praktisch null, so dass das Stromteilerverhältnis Ii : I2 nur durch das Widerstandsverhältnis Ri : R2 bestimmt ist und nicht dadurch beeinflusst wird, dass in Reihe mit dem Messleiter 2 ein Verstärker geschaltet ist. Für die Ausgangsspannungs Ua gilt.

Ua = -Rio • I2.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

659 895

Ferner ist h = I ■ R' .

Ri + R2

Somit wird die Ausgangsspannung Ua zu

Der Übertragungsfaktor der beschriebene Messanordnung ist also von der über dem Stromteiler 3 abfallenden Spannung unabhängig und nur durch den Widerstand Rio und das Widerstandsverhältnis Ri : R2 bestimmt. Durch den innigen Wärme- 15 kontakt zwischen dem Hauptstromleiter 1 und dem Messleiter 2 ist gewährleistet, dass die Widerstände Ri und R2 stets ihr Widerstandsverhältnis zueinander beibehalten, sofern sie aus dem gleichen Leitermaterial bestehen und daher ihre Temperaturkoeffizienten gleich gross sind. Die Ausgangsspannung Ua ist 20 daher von der Temperatur des Stromteilers 3 unabhängig.

Bei gleicher Länge des Hauptstromleiters 1 und des Messleiters 2 ist das Widerstandsverhältnis Ri : R2 durch das Verhältnis der Querschnitte der beiden Leiter 1, 2 gegeben. Wird das Widerstandsverhältnis Ri : R2 beispielsweise 1 : 104 gewählt und 25 ist ein Strom I von z.B. maximal 100 A zu messen, so muss der Inversverstärker 4 für einen Verstärkerstrom von lediglich 10 mA ausgelegt sein.

Wie in der Fig. 3 dargestellt, sind die einander zugewandten Enden der Teilleiter 2a und 2b vorteilhaft über gesonderte Lei- 30 tungen 16 bis 19 mit dem invertierenden Eingang 8, dem Rückkopplungswiderstand 10, dem Bezugspotential 13 und dem nichtinvertierenden Eingang 9 verbunden. Dabei weisen die beiden genannten Enden je zwei nahe beieinander liegende Anschlusspunkte 20, 21 bzw. 22, 23 auf, die z.B. Löt- oder 35 Schweissstellen sein können. In Stromflussrichtung betrachtet ist der erste Anschlusspunkt 20 mit dem invertierenden Eingang 8, der zweite Anschlusspunkt 21 mit dem Rückkopplungswiderstand 10, der dritte Anschlusspunkt 22 mit dem Bezugspotential 13 und der vierte Anschlusspunkt 23 mit dem nichtinvertieren- 40 den Eingang 9 verbunden. Dadurch ist gewährleistet, dass die tatsächliche Spannung über der Schnittstelle des Messleiters 2

zum Differenzeingang 8, 9 des Operationsverstärkers 7 gelangt und die Eingangspannung Ue nicht durch den Spannungsabfall an den stromführenden Anschlusspunkten 21, 22 verfälscht wird.

Der Stromteiler 3 kann z.B. aus einem vieladrigen Kabel bestehen, das n verseilte oder verflochtene Adern aufweist, wobei n-1 Adern den Hauptstromleiter 1 und eine Ader den Messleiter 2 bilden.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist in der Fig. 4 dargestellt, in der gleiche Bezugszahlen wie in den Fig. 1 bis 3 auf gleiche Teile hinweisen. Der Hauptstromleiter 1 ist ein U-förmig ausgebildeter Flachleiter und der Messleiter 2 ein auf der äusseren Oberfläche des Flachleiters angeordneter Draht, dessen Enden nahe bei den Anschlüssen 5, 6 des Hauptstromleiters 1 z.B. durch eine Schweiss- oder Lötverbindung mit diesem verbunden sind. In der Zeichnung ist nur der eine Verbindungspunkt 24 zwischen dem Hauptstromleiter 1 und dem Messleiter 2 sichtbar. Der Messleiter 2 ist gemäss der Fig. 5 vorteilhaft in einer Längsnut 25 des Hauptstromleiters 1 angeordnet, so dass ein besonders guter Wärmekontakt gewährleistet ist. An einer beliebigen Stelle — im dargestellten Beispiel in der Nähe der Umkehrkante 26 des Hauptstromleiters 1 — ist der Messleiter 2 aufgetrennt und an den Inversverstärker 4 angeschlossen.

Durch die U-förmige Ausbildung des Hauptstromleiters 1 und des Messleiters 2 ergibt sich eine induktionsfreie Anordnung und damit ein minimaler Phasenfehler bei der Messung von Wechselströmen. Anstatt auf der Aussenfläche der Schenkel des U-förmigen Hauptstromleiters 1 kann der Messleiter 2 auch auf den Innenflächen dieser Schenkel angeordnet sein.

Der Inversverstärker 4 mit seinem Operationsverstärker 7 und dem Rückkopplungswiderstand 10 ist in der Fig. 4 auf einem Substrat 27 angeordnet, das an einem der Schenkel des Hauptstromleiters 1 befestigt ist. Auf dem Substrat 27 befinden sich auch vier Kontakte, welche die Anschlusspunkte 20 bis 23 des Messleiters 2 bilden. Die Spannungsquellen 11, 12 (Fig. 1) sind aus Gründen der zeichnerischen Einfachheit in der Fig. 4 nicht dargestellt. Die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den Kontakten bzw. Anschlusspunkten 20 bis 23, dem Operationsverstärker 7, dem Rückkopplungswiderstand 10 und den Ausgangsklemmen 14, 15 können als gedruckte Schaltung ausgeführt sein. Besonders vorteilhaft ist es, den gesamten Schaltkreis als Hybridschaltkreis auszubilden.

v

1 Blatt Zeichnungen

Claims

659 895

1. Anordnung zum Messen eines Stromes, mit einem in den Messstromkreis schaltbaren Hauptstromleiter und einem Verstärker, der aus einem Operationsverstärker und einem Rückkopplungswiderstand besteht und ein lineares Abbild des zu messenden Stromes erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstromleiter (1) und ein zu diesem in engem thermischem Kontakt stehender Messleiter (2) einen Stromteiler (3) bilden und dass der Verstärker (4) ein mit dem Messleiter (2) in Reihe geschalteter Inversverstärker ist, wobei der Differenzeingang (8, 9) des Operationsverstärkers (7) und der Messleiter (2) eine Reihenschaltung bilden, der Rückkopplungswiderstand (10) zwischen dem Ausgang und den invertierenden Eingang (8) des Operationsverstärkers (7) geschaltet ist und der nichtinvertie-rende Eingang (9) des Operationsverstärkers (7) mit dem Bezugspotential (13) des Inversverstärkers (4) verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messleiter (2) aus zwei Teilleitern (2a; 2b) besteht, deren äussere Enden jeweils mit dem einen Ende des Hauptstromleiters (1) verbunden sind und deren einander zugewandte Enden über gesonderte Leitungen (16 bis 20) an den invertierenden Eingang (8) des Operationsverstärkers (7), den Rückkopplungswiderstand (10), das Bezugspotential (13) des Inversverstärkers (4) und den nichtinvertierenden Eingang (9) des Operationsverstärkers (7) angeschlossen sind.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Enden der beiden Teilleiter (2a; 2b) je zwei nahe beieinanderliegende Anschlusspunkte (20; 21 bzw. 22, 23) aufweisen und dass — in Stromflussrichtung betrachtet — der erste Anschlusspunkt (20) mit dem invertierenden Eingang (8) des Operationsverstärkers (7), der zweite Anschlusspunkt (21) mit dem Rückkopplungswiderstand (10), der dritte Anschlusspunkt (22) mit dem Bezugspotential (13) des Inversverstärkers (4) und der vierte Anschlusspunkt (23) mit dem nichtinvertierenden Eingang (9) des Operationsverstärkers (7) verbunden ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstromleiter (1) ein Flachleiter und der Messleiter (2) ein auf der Oberfläche des Flachleiters angeordneter Draht ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstromleiter (1) U-förmig ausgebildet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Messleiter (2) in einer Längsnut (25) des Hauptstromleiters (1) angeordnet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Operationsverstärker (7) und der Rückkopplungswiderstand (10) auf einem Substrat (27) angeordnet sind und dass das Substrat (27) vier Kontakte aufweist, welche die vier Anschlusspunkte (20 bis 23) des Messleiters (2) bilden.