CH707218B1

CH707218B1 - Measurement method and device for inductance measurement when measuring a magnetic flux density.

Info

Publication number: CH707218B1
Application number: CH02366/12A
Authority: CH
Inventors: Ortiz Gabriel; Fässler Lukas; Walter Kolar Johann
Original assignee: Eth Zürich Eth Transfer
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2016-12-30
Also published as: CH707218A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren und eine entsprechende Messvorrichtung zur Induktivitätsmessung bei der Messung einer magnetischen Flussdichte oder einer magnetischen Sättigung in einem induktiven Element. Dabei weist das induktive Element einen Hauptkern (1) mit mindestens einer Hauptwicklung zum Erzeugen eines Magnetfeldes und eines Hauptflusses im Hauptkern (1) auf, und ist mittels eines Messkernes (3) mit einer Messwicklung (4) ein Messfluss erzeugbar, welcher in einem Abschnitt mit dem Hauptfluss überlagert ist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Erzeugen einer wechselnden Messspannung über der Messwicklung (4) durch Anlegen einer Speisegleichspannung an die Messwicklung (4), Messung eines durch die Messwicklung (4) resultierenden Stromes und Umkehrung der Polarität der Speisegleichspannung, wenn der Absolutwert des Stromes einen vorgegebenen Stromgrenzwert überschreitet, Bestimmen einer Frequenz der Messspannung als Mass für die zu messende Induktivität.The invention relates to a measuring method and a corresponding measuring device for inductance measurement in the measurement of a magnetic flux density or a magnetic saturation in an inductive element. In this case, the inductive element has a main core (1) with at least one main winding for generating a magnetic field and a main flux in the main core (1), and by means of a measuring core (3) with a measuring winding (4) a measuring flux can be generated, which in a section is superimposed with the main river. The method comprises the steps of generating an alternating measuring voltage across the measuring winding (4) by applying a DC supply voltage to the measuring winding (4), measuring a current resulting from the measuring winding (4) and reversing the polarity of the DC supply voltage when the absolute value of the Current exceeds a predetermined current limit, determining a frequency of the measurement voltage as a measure of the inductance to be measured.

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Mess- und Steuerungstechnik für induktive Schaltungselemente wie Transformatoren, Drosseln. Sie bezieht sich auf ein Messverfahren und eine Messvorrichtung zur Induktivitätsmessung bei der Messung einer magnetischen Flussdichte gemäss dem Oberbegriff der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche. The invention relates to the field of measurement and control technology for inductive circuit elements such as transformers, chokes. It relates to a measuring method and a measuring device for measuring inductance when measuring a magnetic flux density according to the preamble of the corresponding independent claims.

[0002] Die magnetische Aussteuerung des Magnetkernes eines Transformators erfolgt stationär idealerweise symmetrisch um den Ursprung der B–H-Ebene. Dies ist nur dann gegeben, wenn an keiner der den Magnetkern umschliessenden Wicklungen ein Gleichspannungsanteil anliegt. Real tritt jedoch insbesondere bei der Einbindung von Transformatoren in leistungselektronische Konverter i.a. ein geringer parasitärer Gleichanteil an einer mit eingeprägter Spannung betriebenen Wicklung auf. Dieser kann nur von parasitären ohmschen Widerständen der Wicklung bzw. des diese speisenden leistungselektronischen Konverters aufgenommen werden und resultiert demgemäss in einem Gleichanteil des Primärstromes, welcher zu einer Vormagnetisierung des Magnetkreises bzw. zu einer unsymmetrischen magnetischen Aussteuerung führt. Nachteilige Folgen dieser Unsymmetrie können Sättigung des Magnetkreises und daraus resultierende hohe Stromspitzenwerte, unsymmetrische Beanspruchung und Überlastung von Schaltelementen sowie höhere Kernverluste sein. The magnetic modulation of the magnetic core of a transformer takes place stationary ideally symmetrically around the origin of the B-H plane. This is only the case if none of the windings surrounding the magnetic core has a DC voltage component. Really, however, especially when integrating transformers into power electronic converters, in general a small parasitic DC component on a winding operated with an impressed voltage. This can only be absorbed by parasitic ohmic resistances of the winding or the power electronic converter feeding it and accordingly results in a direct component of the primary current, which leads to a bias of the magnetic circuit or to an asymmetrical magnetic modulation. Disadvantageous consequences of this asymmetry can be saturation of the magnetic circuit and the resulting high current peaks, asymmetrical loading and overloading of switching elements as well as higher core losses.

[0003] Das Auftreten eines Gleichanteiles z.B. der Primärspannung bzw. einer Unsymmetrie der innerhalb einer Taktperiode an die Primärwicklung gelegten positiven und negativen Spannungszeitflächen muss daher insbesondere bei Systemen hoher Leistung verhindert werden. Dazu kann eine direkte oder indirekte Messung der Flussdichte im Trafokern erfolgen und dann durch einen entsprechenden Eingriff in die Steuerung der die Wicklung speisenden Transistorvollbrückenschaltung das Spannungszeitflächengleichgewicht bzw. eine symmetrische magnetische Aussteuerung aktiv sichergestellt werden. Die aktuelle Flussdichte kann z.B. mittels eines in einer Ausnehmung des Magnetkernes platzierten Hallelementes oder mittels einer Feldplatte gemessen werden. Ein solcher Eingriff in den Magnetkreis ist jedoch vielfach nicht möglich, sodass indirekte Verfahren vorzuziehen sind. The occurrence of a constant component e.g. the primary voltage or an asymmetry of the positive and negative voltage-time areas applied to the primary winding within a clock period must therefore be prevented, especially in high-power systems. For this purpose, a direct or indirect measurement of the flux density in the transformer core can take place and then the voltage-time area equilibrium or a symmetrical magnetic modulation can be actively ensured by a corresponding intervention in the control of the transistor full bridge circuit feeding the winding. The current flux density can e.g. can be measured by means of a Hall element placed in a recess in the magnet core or by means of a field plate. Such an intervention in the magnetic circuit is, however, often not possible, so that indirect methods are preferable.

[0004] Die schweizerische Patentanmeldung mit Publikationsnummer CH 704 267 A2 beschreibt ein induktives Element mit einer Messvorrichtung zum Bestimmen der magnetischen Flussdichte oder einer magnetischen Sättigung im induktiven Element sowie ein entsprechendes Messverfahren. Die Messung der Flussdichte oder der Sättigung wird dabei auf die Messung einer Induktivität zurückgeführt. The Swiss patent application with publication number CH 704 267 A2 describes an inductive element with a measuring device for determining the magnetic flux density or a magnetic saturation in the inductive element and a corresponding measuring method. The measurement of the flux density or the saturation is traced back to the measurement of an inductance.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Messverfahren und eine Messvorrichtung zur Induktivitätsmessung bei der Messung einer magnetischen Flussdichte oder einer magnetischen Sättigung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche mit geringem Aufwand eine möglichst genaue Messung erlaubt. The object of the invention is to create a measuring method and a measuring device for inductance measurement when measuring a magnetic flux density or a magnetic saturation of the type mentioned, which allows the most accurate measurement possible with little effort.

[0006] Diese Aufgabe lösen ein Messverfahren und eine Messvorrichtung zur Induktivitätsmessung bei der Messung einer magnetischen Flussdichte oder einer magnetischen Sättigung mit den Merkmalen der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche. [0006] This object is achieved by a measuring method and a measuring device for measuring inductance when measuring a magnetic flux density or a magnetic saturation with the features of the corresponding independent claims.

[0007] Das Messverfahren dient zur Induktivitätsmessung während der Messung einer magnetischen Flussdichte oder einer magnetischen Sättigung in einem induktiven Element. Dabei weist das induktive Element einen Hauptkern mit mindestens einer Hauptwicklung zum Erzeugen eines Magnetfeldes und eines Hauptflusses im Hauptkern auf, und wird mittels eines Messkernes mit einer Messwicklung ein Messfluss erzeugt, welcher in einem Abschnitt mit dem Hauptfluss überlagert ist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Erzeugen einer wechselnden Messspannung über der Messwicklung durch Anlegen einer Speisegleichspannung an die Messwicklung, Messung eines durch die Messwicklung fliessenden Stromes und Umkehrung der Polarität der Speisegleichspannung, wenn der Absolutwert des Stromes einen vorgegebenen Stromgrenzwert überschreitet, Ermitteln einer Frequenz der Messspannung als Mass für die zu messende Induktivität.The measuring method is used to measure inductance during the measurement of a magnetic flux density or a magnetic saturation in an inductive element. The inductive element has a main core with at least one main winding for generating a magnetic field and a main flux in the main core, and a measuring flux is generated by means of a measuring core with a measuring winding, which is superimposed with the main flux in a section. The procedure consists of the following steps: Generating an alternating measurement voltage across the measurement winding by applying a DC supply voltage to the measurement winding, measuring a current flowing through the measurement winding and reversing the polarity of the DC supply voltage if the absolute value of the current exceeds a specified current limit value, Determining a frequency of the measuring voltage as a measure for the inductance to be measured.

[0008] In einer Variante des Verfahrens wird die Messspannung mittels einer Halbbrückenschaltung durch wechselweises Verbinden eines ersten Anschlusses der Messwicklung mit einer positiven respektive einer negativen Gleichspannungsschiene erzeugt. In one variant of the method, the measurement voltage is generated by means of a half-bridge circuit by alternately connecting a first connection of the measurement winding to a positive or a negative DC voltage rail.

[0009] Die Frequenzdemodulation kann mit einem one-shot-basierten Demodulator geschehen. In diesem wird das modulierte Signal in einem Komparator mit einem Schwellwert verglichen, der nahe bei null liegt. Der Ausgang dieses Komparators löst einen Pulsgenerator aus, welcher beim Vorliegen einer positiven oder einer negativen Flange am Eingang jeweils am Ausgang einen Puls konstanter Höhe und Länge erzeugt. Dieses wird zur Elimination von hochfrequenten Anteilen gefiltert, das gefilterte Signal entspricht der gesuchten Frequenz. Dabei ist die Bandbreite des Demodulators durch dieses Filter begrenzt. The frequency demodulation can be done with a one-shot-based demodulator. In this, the modulated signal is compared in a comparator with a threshold value which is close to zero. The output of this comparator triggers a pulse generator which, if a positive or a negative flange is present at the input, generates a pulse of constant height and length at the output. This is filtered to eliminate high-frequency components, the filtered signal corresponds to the frequency sought. The bandwidth of the demodulator is limited by this filter.

[0010] Alternativ kann die Frequenzdemodulation mittels eines «phased-lock loop» oder Phasenregelschleifen- oder PLL-Demodulators geschehen. Die Bandbreite ist durch das Loop-Filter begrenzt. Die «cut»-Frequenz des Filters kann aber hoch gewählt werden und dadurch einen hohe Bandbreite der Demodulation erreicht werden. Alternatively, the frequency demodulation can be done by means of a “phased-lock loop” or phase-locked loop or PLL demodulator. The bandwidth is limited by the loop filter. The “cut” frequency of the filter can, however, be selected to be high, thereby achieving a high demodulation bandwidth.

[0011] In einer Variante des Verfahrens wird mittels eines ersten Teilmesskernes des Messkernes mit einer ersten Teilmesswicklung der Messwicklung und eines zweiten Teilmesskernes des Messkernes mit einer zweiten Teilmesswicklung der Messwicklung jeweils ein Teilmessfluss erzeugt, welcher in einem Abschnitt mit dem Hauptfluss überlagert ist. Dabei wird durch den Hauptfluss in der ersten Teilmesswicklung und in der zweiten Teilmesswicklung jeweils eine Spannung induziert, und wird durch eine Serienschaltung der beiden Teilmesswicklungen eine Summenspannung erzeugt, in welcher sich diese beiden induzierten Spannungen im Wesentlichen aufheben. In a variant of the method, a partial measuring flux is generated by means of a first partial measuring core of the measuring core with a first partial measuring winding of the measuring winding and a second partial measuring core of the measuring core with a second partial measuring winding of the measuring winding, which is superimposed in a section with the main flow. In this case, a voltage is induced in each case by the main flux in the first part measuring winding and in the second part measuring winding, and a total voltage is generated by connecting the two part measuring windings in series, in which these two induced voltages essentially cancel each other out.

[0012] Die Messvorrichtung dient zur Induktivitätsmessung während der Messung einer magnetischen Flussdichte oder einer magnetischen Sättigung in einem induktiven Element, wobei das induktive Element einen Hauptkern mit mindestens einer Hauptwicklung zum Erzeugen eines Magnetfeldes im Hauptkern aufweist. Dabei gilt, dass die Messvorrichtung einen vom Hauptkern verschiedenen Messkern mit einer Messwicklung zum Erzeugen eines Magnetfeldes im Messkern aufweist; ein von der Hauptwicklung erzeugter magnetischer Fluss, im Folgenden auch Hauptfluss genannt, und ein von der Messwicklung erzeugter magnetischer Fluss sich in mindestens einem Teilbereich des Hauptkernes und/oder des Messkernes überlagern; die Messvorrichtung eine Messsignalquelle aufweist, welche zum Erzeugen einer wechselnden Messspannung über der Messwicklung angeordnet ist; die Messvorrichtung eine Regelvorrichtung aufweist, beispielsweise einen Hystereseregler, welche die Polarität der Messspannung jeweils umkehrt, wenn der Absolutwert eines durch die Messwicklung fliessenden Stromes einen vorgegebenen Stromgrenzwert überschreitet; und die Messvorrichtung eine Demodulatoreinrichtung aufweist, welche einen Messwert für die zu messende Induktivität anhand einer Frequenz der Messspannung bestimmt.The measuring device is used to measure inductance during the measurement of a magnetic flux density or a magnetic saturation in an inductive element, the inductive element having a main core with at least one main winding for generating a magnetic field in the main core. It applies that the measuring device has a measuring core different from the main core and having a measuring winding for generating a magnetic field in the measuring core; a magnetic flux generated by the main winding, hereinafter also referred to as the main flux, and a magnetic flux generated by the measuring winding are superimposed in at least a partial area of the main core and / or the measuring core; the measuring device has a measuring signal source, which is arranged to generate an alternating measuring voltage across the measuring winding; the measuring device has a regulating device, for example a hysteresis regulator, which reverses the polarity of the measuring voltage in each case when the absolute value of a current flowing through the measuring winding exceeds a predetermined current limit value; and the measuring device has a demodulator device which determines a measured value for the inductance to be measured on the basis of a frequency of the measured voltage.

[0013] In einer Ausführungsform weist die Messvorrichtung zum Erzeugen der Messspannung zum Speisen der Messwicklung eine Halbbrückenschaltung zum wechselweisen Anlegen einer positiven und einer negativen Speisegleichspannung an einen ersten Anschluss der Messwicklung auf. Der zweite Anschluss ist beispielsweise an einen mit einer Kondensatorbrücke erzeugten künstlichen Nullpunkt angeschlossen. In one embodiment, the measuring device for generating the measuring voltage for feeding the measuring winding has a half-bridge circuit for alternately applying a positive and a negative DC supply voltage to a first connection of the measuring winding. The second connection is connected, for example, to an artificial zero point created with a capacitor bridge.

[0014] In einer Ausführungsform liegen ein erster Teilmesskern mit einer ersten Teilmesswicklung und ein zweiter Teilmesskern mit einer zweiten Teilmesswicklung vor, mit welchen jeweils ein Messfluss erzeugbar ist, welcher in einem Abschnitt mit dem Hauptfluss überlagert ist. Dabei sind die erste Teilmesswicklung und die zweite Teilmesswicklung in Serie geschaltet und sind in entgegengesetzte Richtungen gewickelt. In one embodiment, there is a first partial measuring core with a first partial measuring winding and a second partial measuring core with a second partial measuring winding, with each of which a measuring flux can be generated, which is superimposed in a section with the main flux. The first part measuring winding and the second part measuring winding are connected in series and are wound in opposite directions.

[0015] Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor. [0015] Further preferred embodiments emerge from the dependent claims.

[0016] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: Fig. 1a eine erste Ausführungsform eines induktiven Elementes mit einer Messvorrichtung, zusammen mit externen Beschallungen, welche mit dem induktiven Element als Transformator einen Gleichspannungswandler bilden; Fig. 1b – c eine B–H-Kennlinie des Kernmaterials und die an der Messvorrichtung sichtbare Induktivität in Abhängigkeit der magnetischen Aussteuerung; Fig. 2 eine Ausführungsform einer Messvorrichtung; und Fig. 3 eine Anordnung von zwei Messkernen respektive Messwicklungen zur Verwendung in der Messvorrichtung.Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. In the following, the subject matter of the invention is explained in more detail on the basis of preferred exemplary embodiments which are shown in the accompanying drawings. In each case schematically: FIG. 1 a shows a first embodiment of an inductive element with a measuring device, together with external sound systems, which form a DC voltage converter with the inductive element as a transformer; 1b-c show a B-H characteristic curve of the core material and the inductance visible on the measuring device as a function of the magnetic modulation; 2 shows an embodiment of a measuring device; and FIG. 3 shows an arrangement of two measuring cores or measuring windings for use in the measuring device. In principle, the same parts are provided with the same reference symbols in the figures.

[0017] Fig. 1a zeigt eine erste Ausführungsform eines induktiven Elementes mit einer Messvorrichtung. Das induktive Element ist durch einen Transformator mit einem Hauptkern 1 mit Hauptwicklungen 2 mit Windungszahlen W1, W2gebildet. Ein Wechselrichter 11 speist die eine Hauptwicklung 2, ein Gleichrichter 12 wird durch die zweite Hauptwicklung 2 gespeist. Zusammen bilden diese externen Beschaltungen mit dem Transformator einen Gleichspannungswandler. Die erfindungsgemässen Messvorrichtungen und -verfahren für die Flussdichte im Hauptkern 1 sind natürlich auch auf andere induktive Elemente wie Drosseln und auf Elemente mit anderer externer Beschaltung anwendbar, beispielsweise mehrphasige Transformatoren und beidseitig mit aktiven Schaltern versehene Wandler. Am Hauptkern 1 angesetzt ist ein Messkern 3 mit einer Sensorwicklung oder Messwicklung 4. Die Messwicklung 4 mit Windungszahl Wsist durch eine Spannungsquelle 13 einer Messeinheit 7 gespeist, beispielsweise über einen optionalen Serienkondensator mit Kapazität Cs. Die Messeinheit 7 ist – je nach Ausführungsvariante – zur Speisung der Messwicklung 4 und zur Erfassung und Verarbeitung von Spannungen und Strömen an der Messwicklung 4 ausgebildet. Eine Messeinrichtung 8 zur Messung der Flussdichte im Hauptkern 1 weist die Messeinheit 7 und den Messkern 3 mit Messwicklung 4 auf. 1a shows a first embodiment of an inductive element with a measuring device. The inductive element is formed by a transformer with a main core 1 with main windings 2 with numbers of turns W1, W2. An inverter 11 feeds one main winding 2, a rectifier 12 is fed by the second main winding 2. Together with the transformer, these external circuits form a DC / DC converter. The inventive measuring devices and methods for the flux density in the main core 1 can of course also be applied to other inductive elements such as chokes and to elements with other external circuitry, for example multi-phase transformers and converters provided with active switches on both sides. Attached to the main core 1 is a measuring core 3 with a sensor winding or measuring winding 4. The measuring winding 4 with number of turns Ws is fed by a voltage source 13 of a measuring unit 7, for example via an optional series capacitor with capacitance Cs. The measuring unit 7 is designed - depending on the embodiment variant - to feed the measuring winding 4 and to record and process voltages and currents on the measuring winding 4. A measuring device 8 for measuring the flux density in the main core 1 has the measuring unit 7 and the measuring core 3 with measuring winding 4.

[0018] In den Kernen 1, 3 sind schematisch die magnetischen Kreise durch Hauptkern 1 und Messkern 3 dargestellt: Ein Hauptkreis führt durch den Hauptkern 1 und ein Messkreis durch den Messkern 3. Die beiden Kreise überlagern sich in einem Abschnitt des Hauptkernes 1 mit Reluktanz Rm. Die Anordnung der Sensor-Vorrichtung ist ohne Eingriff in den Flusspfad des Transformators möglich. In the cores 1, 3, the magnetic circuits are shown schematically through the main core 1 and measuring core 3: A main circuit leads through the main core 1 and a measuring circuit through the measuring core 3. The two circles are superimposed in a section of the main core 1 with reluctance Rm. The arrangement of the sensor device is possible without interfering with the flow path of the transformer.

[0019] Durch den Trafo-Hauptfluss wird der Trafo-Magnetkern respektive Hauptkern 1 ausgesteuert und aufgrund der nicht-linearen Charakteristik des Magnetmaterials die Reluktanz Rmbeeinflusst. Die an den Klemmen der Messwicklung 4 zu messende Induktivität LSist damit abhängig von der Trafo-Hauptflussdichte und kann als Mass für den Momentanwert der Flussdichte, d.h. für den im Induktivitäts-Messintervall vorliegenden Wert, herangezogen werden. Im Detail ist die Reluktanz Rmumgekehrt proportional zur Steigung der B–H-Charakteristik des Kernmaterials des Hauptkernes 1 im jeweiligen Arbeitspunkt (vgl. Fig. 1b ) und nimmt aufgrund der nicht-linearen Charakteristik des Magnetmaterials mit zunehmender magnetischer Aussteuerung ab (vgl. Fig. 1c ). Die Induktivität im jeweiligen Arbeitspunkt ist umgekehrt proportional zur Reluktanz Rm. Aufgrund der gemessenen Induktivität kann damit direkt auf die Reluktanz geschlossen werden und weiter, mittels bekannter B–H-Charakteristik, auf den aktuellen Wert der Flussdichte. Dazu muss die B–H-Charakteristik des Materials vorgängig bekannt sein. The transformer magnetic core or main core 1 is controlled by the transformer main flux and, due to the non-linear characteristics of the magnetic material, the reluctance Rm is influenced. The inductance LS to be measured at the terminals of the measuring winding 4 is therefore dependent on the main transformer flux density and can be used as a measure for the instantaneous value of the flux density, i.e. for the value present in the inductance measuring interval. In detail, the reluctance Rm is inversely proportional to the slope of the B-H characteristic of the core material of the main core 1 at the respective operating point (see Fig. 1b) and, due to the non-linear characteristic of the magnetic material, decreases with increasing magnetic modulation (see Fig. 1c). The inductance at the respective operating point is inversely proportional to the reluctance Rm. Based on the measured inductance, conclusions can be drawn directly about the reluctance and further, using known B – H characteristics, the current value of the flux density. To do this, the B – H characteristics of the material must be known in advance.

[0020] Die Induktivität kann in bekannter Weise bestimmt werden, wie bereits in der eingangs genannten schweizerischen Patentanmeldung beschrieben ist. Im Folgenden werden weitere Vorrichtungen und Verfahren zur Induktivitätsmessung beschrieben. Diese Induktivitätsmessung kann dann zur Bestimmung einer Flussdichte und/oder Sättigung gemäss der eingangs genannten schweizerischen Patentanmeldung verwendet werden. The inductance can be determined in a known manner, as already described in the aforementioned Swiss patent application. Further devices and methods for measuring inductance are described below. This inductance measurement can then be used to determine a flux density and / or saturation according to the Swiss patent application mentioned at the beginning.

[0021] Fig. 2 zeigt eine Messvorrichtung gemäss einer möglichen Ausführungsform der Erfindung. Die oben erwähnte optionale Kapazität Cs ist hier beispielhaft nicht eingezeichnet. Die Messvorrichtung weist eine Messsignalquelle 20 mit einer Halbbrückenschaltung mit zwei elektronischen Schaltern S1, auf, welche jeweils mit einem ersten Anschluss an einen positiven Anschlusspunkt 31 respektive an einen negativen Anschlusspunkt 32, welche von einer Spannungsquelle 25 gespeist sind, angeschlossen sind, und jeweils mit einem zweiten Anschluss an einen gemeinsamen Anschlusspunkt 33 und mit einem ersten Anschluss der Messwicklung 4 verbunden sind. Ein zweiter Anschluss der Messwicklung 4 ist mit einem Referenzanschluss 34, welcher auf einem Referenz- oder Mittelpotential liegt, verbunden. Das Referenzpotential kann mit einem kapazitiven Spannungsteiler mit Kapazitäten Cq aus den Potentialen am positiven Anschlusspunkt 31 und am negativen Anschlusspunkt 32 gebildet werden. Ein Stromwandler 24 ist in einen der Anschlüsse der Messwicklung 4 geschaltet und erzeugt ein Strom-Messsignal, welches proportional zum Strom iaux(t) in der Messwicklung 4 ist. Das Strom-Messsignal wird in einem Inverter invertiert, beispielsweise, indem es von einem Wert Null subtrahiert wird, und das invertierte Signal wird einem Schmitt-Trigger 21 zugeführt. Der Schmitt-Trigger 21 weist ein Hystereseband mit einer oberen und einer unteren Schaltgrenze auf, die vorzugsweise den gleichen Absolutwert aufweisen. Am Ausgang des Schmitt-Triggers 21 entsteht ein Schaltsignal R, welches zur Ansteuerung der Messsignalquelle 20, insbesondere der beiden elektronischen Schalter S1, konfiguriert ist. Fig. 2 shows a measuring device according to a possible embodiment of the invention. The above-mentioned optional capacitance Cs is not shown here as an example. The measuring device has a measuring signal source 20 with a half-bridge circuit with two electronic switches S1, which are each connected with a first connection to a positive connection point 31 and to a negative connection point 32, which are fed by a voltage source 25, and each with one second connection to a common connection point 33 and to a first connection of the measuring winding 4. A second connection of the measuring winding 4 is connected to a reference connection 34 which is at a reference or mean potential. The reference potential can be formed from the potentials at the positive connection point 31 and at the negative connection point 32 using a capacitive voltage divider with capacitances Cq. A current transformer 24 is connected to one of the connections of the measuring winding 4 and generates a current measuring signal which is proportional to the current iaux (t) in the measuring winding 4. The current measurement signal is inverted in an inverter, for example by subtracting it from a value zero, and the inverted signal is fed to a Schmitt trigger 21. The Schmitt trigger 21 has a hysteresis band with an upper and a lower switching limit, which preferably have the same absolute value. At the output of the Schmitt trigger 21, a switching signal R arises, which is configured to control the measurement signal source 20, in particular the two electronic switches S1.

[0022] Im Betrieb der Messvorrichtung entsteht mittels der Schalter S1, eine periodische Rechteckspannung an der Messwicklung 4. Es resultiert aufgrund der Induktivität der Messwicklung 4 ein im Wesentlichen als periodisches Dreiecksignal verlaufender Messstrom Im1. Die Umschaltung der Schalter S1, ist durch das Schaltsignal R gesteuert: liegt eine Gleichspannung an der Messwicklung 4, so steigt der Strom iaux(t) in der Messwicklung 4 linear an respektive sinkt linear ab. Jeweils dann, wenn der Strom iaux(t) in der Messwicklung 4 einen Wert entsprechend der oberen respektive unteren Schaltgrenze überschreitet, wechselt das Schaltsignal R das Vorzeichen und wird die Polarität der Gleichspannung an der Messwicklung 4 umgekehrt. Das Schaltsignal R hat dadurch einen rechteckförmigen periodischen Verlauf. Die Frequenz des Schaltsignales R ist umgekehrt proportional zur Induktivität der Messwicklung 4. When the measuring device is in operation, a periodic square-wave voltage is generated at the measuring winding 4 by means of the switch S1. Due to the inductance of the measuring winding 4, a measuring current Im1 essentially running as a periodic triangular signal results. The switching of the switch S1 is controlled by the switching signal R: If a direct voltage is applied to the measuring winding 4, the current iaux (t) in the measuring winding 4 increases or decreases linearly. Whenever the current iaux (t) in the measuring winding 4 exceeds a value corresponding to the upper or lower switching limit, the switching signal R changes its sign and the polarity of the direct voltage on the measuring winding 4 is reversed. The switching signal R has a rectangular periodic profile. The frequency of the switching signal R is inversely proportional to the inductance of the measuring winding 4.

[0023] Ein Frequenzdemodulator 22 ist zur Bestimmung der Frequenz vm(t) des Schaltsignales R angeordnet. Dieses demodulierte Signal vm(t) dient als Messsignal der Messvorrichtung. Das Messsignal kann beispielsweise mit einer Analogschaltung weiterverarbeitet werden, oder mittels eines Analog-Digital-Wandlers in ein Digitalsignal gewandelt und in digitaler Form weiterverarbeitet werden. Das Messsignal vm(t) ist umgekehrt proportional zur Induktivität im Messkern 3. Daraus wiederum ist die Flussdichte oder die magnetische Sättigung im Hauptkern 1 in bekannter Weise bestimmbar. A frequency demodulator 22 is arranged to determine the frequency vm (t) of the switching signal R. This demodulated signal vm (t) serves as the measurement signal of the measurement device. The measurement signal can be processed further with an analog circuit, for example, or converted into a digital signal by means of an analog-digital converter and processed further in digital form. The measurement signal vm (t) is inversely proportional to the inductance in the measurement core 3. From this, in turn, the flux density or the magnetic saturation in the main core 1 can be determined in a known manner.

[0024] Die Frequenz des Stromes iaux(t) in der Messwicklung 4 und damit auch des Schaltsignales R beträgt beispielsweise zwischen 100 kHz und 500 kHz oder 1 MHz und wird als hochfrequent betrachtet. Die Frequenz des magnetischen Flusses im Hauptkern 1 beträgt beispielsweise zwischen 500 Hz und 50 kHz und wird somit als niederfrequent betrachtet. Im Allgemeinen gilt für das Verhältnis der beiden Frequenzen, dass die Messfrequenz mindestens das Zehnfache oder das Fünfzigfache der Frequenz des magnetischen Flusses im Hauptkern 1 betragen soll. The frequency of the current iaux (t) in the measuring winding 4 and thus also of the switching signal R is, for example, between 100 kHz and 500 kHz or 1 MHz and is considered to be high frequency. The frequency of the magnetic flux in the main core 1 is between 500 Hz and 50 kHz, for example, and is therefore considered to be of low frequency. In general, it applies to the ratio of the two frequencies that the measurement frequency should be at least ten or fifty times the frequency of the magnetic flux in the main core 1.

[0025] Fig. 3 zeigt eine Messvorrichtung mit zwei Teilmesskernen 3b, 3c respektive Teilmesswicklungen 4b, 4c. Die beiden Teilmesskerne 3b, 3c sind bezüglich des Hauptkernes 1 respektive des im Hauptkern 1 verlaufenden Hauptflusses gleichsinnig angeordnet, d.h., dass sie im Wesentlichen von gleichen Anteilen des Hauptflusses durchflossen sind. Die beiden Teilmesswicklungen 4b, 4c sind gegensinnig gewickelt und sind elektrisch in Serie zueinander geschaltet. 3 shows a measuring device with two partial measuring cores 3b, 3c and partial measuring windings 4b, 4c, respectively. The two partial measuring cores 3b, 3c are arranged in the same direction with respect to the main core 1 or the main flow running in the main core 1, i.e. they have essentially the same proportions of the main flow flowing through them. The two partial measuring windings 4b, 4c are wound in opposite directions and are electrically connected in series with one another.

[0026] Im Betrieb dieser Messvorrichtung entstehen niederfrequente Störspannungen, die durch einen Anteil des Hauptflusses, der durch die Messwicklungen fliesst, hervorgerufen werden. Die Schaltung der Fig. 3 erreicht, dass die in den Teilmesswicklungen 4b, 4c entstehenden Störspannungen um eine halbe Periode des periodisch variierenden Hauptflusses, d.h. um 180°, gegeneinander versetzt sind und sich gegenseitig aufheben. An den Anschlüssen der Serienschaltung tritt also im Wesentlichen keine Störspannung aufgrund des Hauptflusses auf. Solche Serienschaltungen von Teilmesswicklungen 4b, 4c an Teilmesskernen 3b, 3c können in der Ausführungsform der Fig. 2 an Stelle des Messkernes 3 mit der Messwicklung 4 eingesetzt werden. During operation of this measuring device, low-frequency interference voltages arise which are caused by a portion of the main flux that flows through the measuring windings. The circuit of Fig. 3 achieves that the interference voltages arising in the partial measuring windings 4b, 4c by half a period of the periodically varying main flux, i.e. by 180 °, offset from each other and cancel each other out. Essentially no interference voltage occurs at the connections of the series circuit due to the main flow. Such series connections of partial measuring windings 4b, 4c on partial measuring cores 3b, 3c can be used in the embodiment of FIG. 2 in place of the measuring core 3 with the measuring winding 4.

Claims

A measuring method for measuring inductance while measuring a magnetic flux density or a magnetic saturation in an inductive element, the inductive element having a main core (1) with at least one main winding (2) for generating a magnetic field and a main flux in the main core (1), and by means of a measuring core (3) with a measuring winding (4) a measuring flow is generated, which is superimposed in a section with the main flow, comprising the following steps: Generating an alternating measuring voltage across the measuring winding (4) by applying a DC supply voltage to the measuring winding (4), measuring a current flowing through the measuring winding (4) and reversing the polarity of the DC supply voltage when the absolute value of the current exceeds a predetermined current limit, - Determining a frequency of the measuring voltage as a measure of the inductance to be measured.

2. Measuring method according to claim 1, wherein the measuring voltage is generated by means of a half-bridge circuit by alternately connecting a first terminal of the measuring winding (4) with a positive or a negative DC rail.

3. Measuring method according to claim 1 or 2, wherein a measuring frequency of the measuring voltage is at least ten times the frequency of the magnetic flux in the main core (1).

4. Measuring method according to one of claims 1 to 3, wherein by means of a first part of measuring core (3b) of the measuring core with a first part of the measuring winding (4b) of the measuring winding and a second part of measuring core (3c) of the measuring core with a second part of the measurement winding (4c) of the measuring winding respectively Part measuring flux is generated, which is superimposed in a section with the main flow, and wherein in each case a voltage is induced by the main flux in the first part of the measuring winding (4b) and in the second part of the measuring winding (4c), and by a series connection of the two partial measuring windings (4b, 4c) a sum voltage is generated in which these two induced voltages essentially cancel each other out.

5. A measuring device for inductance measurement during the measurement of a magnetic flux density or a magnetic saturation in an inductive element, wherein the inductive element has a main core (1) with at least one main winding (2) for generating a magnetic field in the main core (1) - The measuring device has a different from the main core (1) measuring core (3) with a measuring winding (4) for generating a magnetic field in the measuring core (3); - The measuring device on the main core (1) can be arranged, so that one of the main winding (2) generated magnetic flux and a magnetic flux generated by the measuring winding (4) in at least a portion of the main core (1) and / or the measuring core (3 superimpose); - The measuring device comprises a measuring signal source (20) which is arranged to generate an alternating measuring voltage across the measuring winding (4); - The measuring device comprises a control device which reverses the polarity of the measuring voltage in each case when the absolute value of a current flowing through the measuring winding (4) exceeds a predetermined current limit value; and - The measuring device comprises a demodulator device (22) which determines a measured value for the inductance to be measured based on a frequency of the measuring voltage.

6. Measuring device according to claim 5, which for generating the measuring voltage for supplying the measuring winding (4) has a half-bridge circuit for alternately applying a positive and a negative DC supply voltage to a first terminal of the measuring winding.

7. Measuring device according to one of claims 5 to 6, wherein a first part measuring core (3b) of the measuring core with a first part measuring winding (4b) of the measuring winding and a second part measuring core (3c) of the measuring core with a second part measuring winding (4c) of the measuring winding are present which in each case a measuring flux can be generated, which is superimposed in a section with the main flow, and wherein the first part of the measuring winding (4b) and the second part of the measuring winding (4c) are connected in series and are wound in opposite directions.