CH659895A5

CH659895A5 - ARRANGEMENT FOR MEASURING A CURRENT.

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. The invention relates to an arrangement for measuring a current of the type mentioned in the preamble of claim 1.

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. To measure currents, it is known to switch a low-resistance resistor, often referred to as a shunt, into the circuit and to measure the voltage drop across this resistor. The problem arises that either a very small, difficult to measure voltage drop occurs or that a relatively large power loss in the shunt has to be accepted. Since the voltage drop is directly proportional to the impedance of the shunt, the temperature dependence of the resistance material of the shunt has a direct effect on the measurement accuracy.

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. An arrangement according to the preamble of claim 1 is known (DE-OS 2 458 319), in which the voltage dropping across the shunt drives a non-inverting amplifier which generates a current proportional to the voltage drop. With this arrangement too, the temperature dependence of the shunt has a direct effect on the measurement result.

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. The invention has for its object to provide a simple arrangement of the type mentioned, in which the generated image of the current to be measured is largely independent of temperature.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 eine Anordnung zum Messen eines Stromes, 1 shows an arrangement for measuring a current,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild, 2 shows a basic circuit diagram,

Fig. 3 eine Variante der Anordnung nach der Fig. I, 3 shows a variant of the arrangement according to FIG. I,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit einem Flachleiter und Fig. 4 shows an embodiment with a flat conductor and

Fig. 5 einen Flachleiter im Schnitt. Fig. 5 shows a flat conductor in section.

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. In FIG. 1, 3 means a current divider which consists of a main current conductor 1 and a measuring conductor 2 which is in close thermal contact with it but is electrically insulated. The main current conductor 1 on the one hand and a series circuit consisting of the measuring conductor 2 and an inverting amplifier 4 (inverting amplifier) on the other hand are electrically connected in parallel. In the example shown, the measuring conductor 2 consists of two partial conductors 2a and 2b, the outer ends of which are each connected to one end of the main current conductor 1 and the ends of which are facing one another and are connected to the inverse amplifier 4. At its longitudinal ends, the current divider 3 each has a connection 5 or 6.

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. The inverse amplifier 4 consists of an operational amplifier 7 with an inverting input 8 and a non-inverting input 9 and a feedback resistor 10. The differential input 8, 9 of the operational amplifier 7 is directly in series with the measuring conductor 2. The feedback resistor 10 is between the output and the inverting input 8 of the operational amplifier 7 switched. A positive voltage source 11 and a negative voltage source 12 are connected on the one hand to the positive or negative supply connection of the operational amplifier 7 and on the other hand to the reference potential 13 of the inverse amplifier 4 and to the non-inverting input 9. The voltage across the differential input 8, 9 of the operational amplifier 7 is denoted in the drawing by Ue and the output voltage at output terminals 14, 15, which are connected to the output of the operational amplifier 7 or to the reference potential 13, by Ua.

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. 2 shows the basic electrical circuit diagram of the measuring arrangement described. The impedance of the main current conductor 1 is denoted by Ri, that of the measuring conductor 2 by R2 and that of the feedback resistor 10 by Rio.

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. The current I to be measured, which can be a direct current or an alternating current, flows via the connection 5 (FIG. 1) to the current divider 3, is divided into partial currents Ii and I2 and leaves the current conductor 3 via the connection 6. In the main current conductor 1 flows the partial flow Ij. The partial current I2 flows through the partial conductor 2a of the measuring conductor 2, the feedback resistor 10, the operational amplifier 7, the voltage source 11 or 12 and the partial conductor 2b. As a result of the very large amplification of the operational amplifier 7, the input voltage Ue is practically zero, so that the current divider ratio Ii: I2 is only determined by the resistance ratio Ri: R2 and is not influenced by the fact that an amplifier is connected in series with the measuring conductor 2. The following applies to the output voltage Ua.

Ua = -Rio • I2. Ua = -Rio • I2.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

659 895 659 895

Ferner ist h = I ■ R' . Furthermore, h = I ■ R '.

Ri + R2 Ri + R2

Somit wird die Ausgangsspannung Ua zu The output voltage Ua thus becomes

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. The transmission factor of the measuring arrangement described is therefore independent of the voltage drop across the current divider 3 and is only determined by the resistance Rio and the resistance ratio Ri: R2. The intimate thermal contact between the main current conductor 1 and the measuring conductor 2 ensures that the resistors Ri and R2 always maintain their resistance relationship to one another, provided that they consist of the same conductor material and therefore their temperature coefficients are the same. The output voltage Ua is therefore independent of the temperature of the current divider 3.

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. With the same length of the main current conductor 1 and the measuring conductor 2, the resistance ratio Ri: R2 is given by the ratio of the cross sections of the two conductors 1, 2. If the resistance ratio Ri: R2 is selected for example 1:10 and 25 is a current I of e.g. To measure a maximum of 100 A, the inverse amplifier 4 must be designed for an amplifier current of only 10 mA.

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 As shown in FIG. 3, the mutually facing ends of the partial conductors 2a and 2b are advantageously connected to the inverting input 8, the feedback resistor 10, the reference potential 13 and the non-inverting input 9 via separate lines 16 to 19. The two ends mentioned each have two connection points 20, 21 and 22, 23 located close to one another, which e.g. Can be soldered or 35 welds. When viewed in the direction of current flow, the first connection point 20 is connected to the inverting input 8, the second connection point 21 to the feedback resistor 10, the third connection point 22 to the reference potential 13 and the fourth connection point 23 to the non-inverting input 9. This ensures that the actual voltage across the interface of the measuring conductor 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. reaches the differential input 8, 9 of the operational amplifier 7 and the input voltage Ue is not falsified by the voltage drop at the current-carrying connection points 21, 22.

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. The current divider 3 can e.g. consist of a multi-core cable, which has n stranded or interwoven wires, n-1 wires forming the main current conductor 1 and one wire the measuring conductor 2.

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. A particularly advantageous embodiment is shown in FIG. 4, in which the same reference numerals as in FIGS. 1 to 3 indicate the same parts. The main current conductor 1 is a U-shaped flat conductor and the measuring conductor 2 is a wire arranged on the outer surface of the flat conductor, the ends of which are close to the connections 5, 6 of the main current conductor 1 e.g. are connected to it by a welded or soldered connection. In the drawing, only one connection point 24 between the main current conductor 1 and the measuring conductor 2 is visible. 5, the measuring conductor 2 is advantageously arranged in a longitudinal groove 25 of the main current conductor 1, so that particularly good thermal contact is ensured. At any point - in the example shown near the reversing edge 26 of the main current conductor 1 - the measuring conductor 2 is separated and connected to the inverse amplifier 4.

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. The U-shaped configuration of the main current conductor 1 and the measuring conductor 2 results in an induction-free arrangement and thus a minimal phase error in the measurement of alternating currents. Instead of on the outer surface of the legs of the U-shaped main current conductor 1, the measuring conductor 2 can also be arranged on the inner surfaces of these legs.

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. The inverse amplifier 4 with its operational amplifier 7 and the feedback resistor 10 is arranged in FIG. 4 on a substrate 27 which is attached to one of the legs of the main current conductor 1. There are also four contacts on the substrate 27, which form the connection points 20 to 23 of the measuring conductor 2. The voltage sources 11, 12 (FIG. 1) are not shown in FIG. 4 for reasons of drawing simplicity. The electrical connecting lines between the contacts or connection points 20 to 23, the operational amplifier 7, the feedback resistor 10 and the output terminals 14, 15 can be designed as a printed circuit. It is particularly advantageous to design the entire circuit as a hybrid circuit.

v v

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

659 895

1. Arrangement for measuring a current, with a main current conductor that can be switched into the measuring circuit and an amplifier that consists of an operational amplifier and a feedback resistor and generates a linear image of the current to be measured, characterized in that the main current conductor (1) and one to it Measuring conductors (2) in close thermal contact form a current divider (3) and that the amplifier (4) is an inverse amplifier connected in series with the measuring conductor (2), the differential input (8, 9) of the operational amplifier (7) and the Measuring conductors (2) form a series circuit, the feedback resistor (10) is connected between the output and the inverting input (8) of the operational amplifier (7) and the non-inverting input (9) of the operational amplifier (7) with the reference potential (13) of the inverse amplifier (4) is connected.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the measuring conductor (2) consists of two partial conductors (2a; 2b), the outer ends of which are each connected to one end of the main current conductor (1) and the ends of which face one another via separate lines ( 16 to 20) to the inverting input (8) of the operational amplifier (7), the feedback resistor (10), the reference potential (13) of the inverting amplifier (4) and the non-inverting input (9) of the operational amplifier (7).

2nd

PATENT CLAIMS

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the mutually facing ends of the two partial conductors (2a; 2b) each have two connection points (20; 21 or 22, 23) located close to one another and that - viewed in the direction of current flow - the first connection point ( 20) with the inverting input (8) of the operational amplifier (7), the second connection point (21) with the feedback resistor (10), the third connection point (22) with the reference potential (13) of the inverse amplifier (4) and the fourth connection point ( 23) is connected to the non-inverting input (9) of the operational amplifier (7).

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the main current conductor (1) is a flat conductor and the measuring conductor (2) is a wire arranged on the surface of the flat conductor.

5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the main current conductor (1) is U-shaped.

6. Arrangement according to claim 4 or 5, characterized in that the measuring conductor (2) is arranged in a longitudinal groove (25) of the main current conductor (1).

7. Arrangement according to one of claims 3 to 6, characterized in that the operational amplifier (7) and the feedback resistor (10) are arranged on a substrate (27) and that the substrate (27) has four contacts which the four connection points ( 20 to 23) of the measuring conductor (2).