CH707221B1 - Measuring method and inductive element with a measuring device for inductance measurement during the measurement of a magnetic flux density. - Google Patents

Measuring method and inductive element with a measuring device for inductance measurement during the measurement of a magnetic flux density. Download PDF

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CH707221B1 CH02365/12A CH23652012A CH707221B1 CH 707221 B1 CH707221 B1 CH 707221B1 CH 02365/12 A CH02365/12 A CH 02365/12A CH 23652012 A CH23652012 A CH 23652012A CH 707221 B1 CH707221 B1 CH 707221B1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren und eine Messvorrichtung zur Induktivitätsmessung bei der Messung einer magnetischen Flussdichte oder einer magnetischen Sättigung in einem induktiven Element. Das induktive Element weist einen Hauptkern (1) mit mindestens einer Hauptwicklung zum Erzeugen eines Magnetfeldes und eines Hauptflusses im Hauptkern (1) auf. Mittels eines ersten Messkernes (3) ist mit einer ersten Messwicklung (4) ein Messfluss erzeugbar, welcher in einem Abschnitt mit dem Hauptfluss überlagert ist. Dabei werden die folgenden Schritte ausgeführt: Erzeugen einer periodisch wechselnden ersten Messspannung über der ersten Messwicklung (4); Bilden eines ersten Messstroms, welcher proportional zum Strom durch die erste Messwicklung (4) ist; Gleichrichten des ersten Messstroms und Erfassen eines Messsignales entsprechend dem gleichgerichteten ersten Messstrom.The invention relates to a measuring method and a measuring device for inductance measurement in the measurement of a magnetic flux density or a magnetic saturation in an inductive element. 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). By means of a first measuring core (3), a measuring flow can be generated with a first measuring winding (4), which is superimposed in a section with the main flow. The following steps are carried out: generating a periodically changing first measuring voltage across the first measuring winding (4); Forming a first measurement current which is proportional to the current through the first measurement winding (4); Rectifying the first measuring current and detecting a measuring signal corresponding to the rectified first measuring current.

Description

Beschreibung [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 ein induktives Element mit Messvorrichtung zur Induktivitätsmessung bei der Messung einer magnetischen Flussdichte gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche 1 und 5.Description [0001] 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 an inductive element with measuring device for inductance measurement in the measurement of a magnetic flux density according to the preamble of independent claims 1 and 5.

[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 ideally takes place stationarily symmetrical about the origin of the B-H plane. This is only possible if no DC voltage component is applied to any of the windings enclosing the magnetic core. Real occurs, however, especially in the integration of transformers in power electronic converters i.a. a low parasitic DC component on a winding operated with impressed voltage. This can only be absorbed by parasitic ohmic resistances of the winding or of the power electronic converter supplying it, and accordingly results in a direct component of the primary current, which leads to a premagnetization of the magnetic circuit or to an asymmetrical magnetic modulation. The disadvantageous consequences of this asymmetry can be saturation of the magnetic circuit and resulting high current peak values, unbalanced load and overload 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, Hallelements 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 DC component, e.g. Therefore, the primary voltage or an imbalance of the positive and negative voltage time surfaces applied to the primary winding within one clock period must be prevented, in particular in systems of high power. For this purpose, a direct or indirect measurement of the flux density in the transformer core can be carried out and then actively ensured by a corresponding intervention in the control of the winding feeding transistor full bridge circuit, the voltage time surface equilibrium or a symmetrical magnetic modulation. The current flux density may e.g. be measured by means of a, placed in a recess of the magnetic core, Hall element or by means of a field plate. However, such an intervention in the magnetic circuit is often not possible, so that indirect methods are preferable.

[0004] Die schweizerische Patentschrift mit Publikationsnummer CH 704 267 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 publication no. CH 704 267 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 measurement method. The measurement of the flux density or the saturation is thereby attributed 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 provide a measuring method and a measuring device for inductance measurement in the measurement of a magnetic flux density or a magnetic saturation of the type mentioned, which allows the most accurate possible measurement with little effort.

[0006] Diese Aufgabe lösen ein Messverfahren und ein induktives Element mit einer Messvorrichtung zur Induktivitätsmessung bei der Messung einer magnetischen Flussdichte oder einer magnetischen Sättigung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 5.This object is achieved by a measuring method and an inductive element having a measuring device for inductance measurement in the measurement of a magnetic flux density or a magnetic saturation with the features of the independent patent claims 1 and 5.

[0007] Das Messverfahren dient also 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 und eines Hauptflusses im Hauptkern aufweist. Mittels eines ersten Messkernes ist mit einer ersten Messwicklung ein Messfluss erzeugbar, welcher in einem Abschnitt mit dem Hauptfluss überlagert ist. Dabei werden die folgenden Schritte ausgeführt: - Erzeugen einer periodisch wechselnden ersten Messspannung über der ersten Messwicklung; - Bilden mittels eines Stromwandlers, eines ersten Messstroms, welcher proportional zum Strom durch die erste Messwicklung ist; - Gleichrichten des ersten Messstroms und Erfassen eines Messsignales entsprechend dem gleichgerichteten ersten Messstrom.The measuring method thus serves 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 with at least one main winding for generating a magnetic field and a main flux in the main core. By means of a first measuring core, a measuring flow can be generated with a first measuring winding, which is superimposed in a section with the main flow. The following steps are carried out: generating a periodically changing first measuring voltage across the first measuring winding; - Forming by means of a current transformer, a first measuring current which is proportional to the current through the first measuring winding; - rectifying the first measuring current and detecting a measuring signal corresponding to the rectified first measuring current.

[0008] In einer Variante des Verfahrens liegt ein zweiter Messkern mit einer zweiten Messwicklung vor, mit welchem ebenfalls ein Messfluss erzeugbar ist, welcher in einem Abschnitt mit dem Hauptfluss überlagert ist, und werden die folgenden Schritte ausgeführt: - Erzeugen einer periodisch wechselnden zweiten Messspannung über der zweiten Messwicklung, wobei die zweite Messspannung die gleiche Periodendauer wie die erste Messspannung aufweist und gegenüber der ersten Messspannung um eine Viertelperiode verschoben ist: - Bilden, mittels eines zweiten Stromwandlers, eines zweiten Messstroms, welcher proportional zum Strom durch die zweite Messwicklung ist; - Gleichrichten des zweiten Messstroms und Erfassen eines Messsignales entsprechend der Summe des gleichgerichteten ersten Messstromes und des gleichgerichteten zweiten Messstromes.In a variant of the method, a second measuring core is provided with a second measuring winding, with which also a measuring flow can be generated, which is superposed in a section with the main flow, and the following steps are carried out: generating a periodically changing second measuring voltage over the second measurement winding, wherein the second measurement voltage has the same period duration as the first measurement voltage and is shifted from the first measurement voltage by a quarter period: - forming, by means of a second current transformer, a second measurement current which is proportional to the current through the second measurement winding; - rectifying the second measuring current and detecting a measuring signal corresponding to the sum of the rectified first measuring current and the rectified second measuring current.

[0009] In einer Variante des Verfahrens weisen die erste und zweite Messspannung einen bezüglich null symmetrischen Verlauf auf.In a variant of the method, the first and second measuring voltages have a symmetrical relationship with respect to zero.

[0010] In einer Variante des Verfahrens sind die erste und die zweite Messspannung Rechteckspannungen.In a variant of the method, the first and second measuring voltages are square-wave voltages.

[0011] In einer Variante des Verfahrens wird mittels eines ersten Teilmesskerns mit einer ersten Teilmesswicklung und eines zweiten Teilmesskerns mit einer zweiten Teilmesswicklung jeweils ein Messfluss 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 Serieschaltung der beiden Teilmesswicklungen eine Summenspannung erzeugt, in welcher sich diese beiden induzierten Spannungen im Wesentlichen aufheben.In a variant of the method, in each case a measuring flow is generated by means of a first partial measuring core with a first partial measuring coil and a second partial measuring core with a second partial measuring coil, which is superimposed in a section with the main flow. In this case, in each case a voltage is induced by the main flux in the first partial measuring winding and in the second partial measuring winding, and a sum voltage is generated by a series connection of the two partial measuring windings, in which these two induced voltages essentially cancel each other out.

[0012] Die Messvorrichtung dient zur Induktivitätsmessung bei 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 im Hauptkern auf. - Die Messvorrichtung weist ferner einen vom Hauptkern verschiedenen ersten Messkern mit einer ersten Messwicklung zum Erzeugen eines Magnetfeldes im ersten Messkern auf; - ein von der Hauptwicklung erzeugter magnetischer Fluss, im Folgenden auch Hauptfluss genannt, und ein von der ersten Messwicklung erzeugter magnetischer Fluss überlagern sich in mindestens einem Teilbereich des Hauptkernes und/oder des ersten Messkernes; - die Messvorrichtung weist eine Messsignalquelle auf, welche zum Erzeugen einer periodisch wechselnden ersten Messspannung über der ersten Messwicklung angeordnet ist; - die Messvorrichtung weist einen Stromwandler auf, der zum Bilden eines ersten Messstroms, welcher proportional zum Strom durch die erste Messwicklung ist, angeordnet ist; und - die Messvorrichtung weist einen Messgleichrichter auf, welcher zum Gleichrichten des ersten Messstroms und Erfassen eines Messsignales entsprechend dem gleichgerichteten ersten Messstrom angeordnet ist.The measuring device is used 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 with at least one main winding for generating a magnetic field in the main core. - The measuring device further comprises a different from the main core first measuring core with a first measuring winding for generating a magnetic field in the first measuring core; a magnetic flux generated by the main winding, also referred to below as a main flux, and a magnetic flux generated by the first measuring winding overlap in at least a portion of the main core and / or the first measuring core; - The measuring device has a measuring signal source, which is arranged to generate a periodically changing first measuring voltage across the first measuring winding; - The measuring device comprises a current transformer, which is arranged to form a first measuring current, which is proportional to the current through the first measuring winding; and - the measuring device has a measuring rectifier, which is arranged for rectifying the first measuring current and detecting a measuring signal corresponding to the rectified first measuring current.

[0013] In einer Ausführungsform weist die Messvorrichtung: - einen vom Hauptkern verschiedenen zweiten Messkern mit einer zweiten Messwicklung zum Erzeugen eines Magnetfeldes im zweiten Messkern auf; - überlagern ein von der Hauptwicklung erzeugter magnetischer Fluss und ein von der zweiten Messwicklung erzeugter magnetischer Fluss sich in mindestens einem Teilbereich des Hauptkernes und/oder des zweiten Messkernes; - ist die Messsignalquelle zum Erzeugen einer periodisch wechselnden zweiten Messspannung über der zweiten Messwicklung angeordnet, wobei die zweite Messspannung die gleiche Periodendauer wie die erste Messspannung aufweist und gegenüber der ersten Messspannung um eine Viertelperiode verschoben ist; - weist die Messvorrichtung einen zweiten Stromwandler auf, der zum Bilden eines zweiten Messstroms, welcher proportional zum Strom durch die zweite Messwicklung ist, angeordnet ist; und - ist der Messgleichrichter zum Gleichrichten des zweiten Messstroms und Erfassen eines Messsignales entsprechend der Summe des gleichgerichteten ersten Messstromes und des gleichgerichteten zweiten Messstromes angeordnet.In one embodiment, the measuring device comprises: a second measuring core, which is different from the main core, with a second measuring winding for generating a magnetic field in the second measuring core; a magnetic flux generated by the main winding and a magnetic flux generated by the second measuring winding overlap in at least a portion of the main core and / or the second measuring core; the measuring signal source is arranged to generate a periodically alternating second measuring voltage across the second measuring winding, the second measuring voltage having the same period duration as the first measuring voltage and shifted by a quarter period with respect to the first measuring voltage; the measuring device has a second current transformer which is arranged to form a second measuring current, which is proportional to the current through the second measuring winding; and - the measuring rectifier is arranged for rectifying the second measuring current and detecting a measuring signal corresponding to the sum of the rectified first measuring current and the rectified second measuring current.

[0014] In einer Ausführungsform weist die Messvorrichtung zum Erzeugen der ersten Messspannung und falls benötigt auch der zweiten Messspannung, und jeweils zum Speisen der ersten Messwicklung und falls vorhanden auch der zweiten Messwicklung jeweils eine Halbbrückenschaltung zum wechselweisen Anlegen einer positiven und einer negativen Speisegleichspannung an einen Anschluss der jeweiligen Messwicklung auf.In one embodiment, the measuring device for generating the first measuring voltage and, if necessary, the second measuring voltage, and each for feeding the first measuring winding and if present also the second measuring winding each have a half-bridge circuit for alternately applying a positive and a negative DC supply voltage to a Connection of the respective measurement winding on.

[0015] In einer Ausführungsform liegen als Teile des ersten Messkernes mit der ersten Messwicklung 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, as parts of the first measuring core with the first measuring winding, 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 flow can be generated, which is superimposed in a section with the main flow , In this case, the first partial measuring winding and the second partial measuring winding are connected in series and are wound in opposite directions.

[0016] In einer Ausführungsform liegt ein zweiter Messkern mit einer zweiten Messwicklung vor, mit welchem ebenfalls ein Messfluss erzeugbar ist, welcher in einem Abschnitt mit dem Hauptfluss überlagert ist, wobei die erste Messwicklung und die zweite Messwicklung in Serie geschaltet sind und in entgegen gesetzte Richtungen gewickelt sind.In one embodiment, there is a second measuring core with a second measuring winding, with which also a measuring flow can be generated, which is superimposed in a section with the main flow, wherein the first measuring winding and the second measuring winding are connected in series and in opposite Directions are wrapped.

[0017] Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.Further preferred embodiments will become apparent from the dependent claims.

[0018] I m Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:In the following, the subject invention will be explained in more detail with reference to preferred embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings. Each show schematically:

Fig. 1a eine erste Ausführungsform eines induktiven Elementes mit einer Messvorrichtung, zusammen mit externen Beschaltungen, welche mit dem induktiven Element als Transformator einen Gleichspannungswandler bilden;1a shows a first embodiment of an inductive element with a measuring device, together with external circuits, which form a DC-DC converter with the inductive element as a transformer.

Fig. 1b-c eine B-H-Kennlinie des Kernmaterials und die an der Messvorrichtung sichtbare Induktivität in Abhängigkeit der magnetischen Aussteuerung;Fig. 1b-c a B-H characteristic of the core material and the visible on the measuring device inductance in dependence of the magnetic modulation;

Fig. 2 eine Messvorrichtung gemäss einer Ausführungsform mit nur einer Messanordnung;FIG. 2 shows a measuring device according to an embodiment with only one measuring arrangement; FIG.

Fig. 3 eine Messvorrichtung gemäss einer Ausführungsform mit zwei Messanordnungen;3 shows a measuring device according to an embodiment with two measuring arrangements;

Fig. 4 Stromverläufe in der Messvorrichtung der Fig. 3; undFig. 4 current waveforms in the measuring device of Fig. 3; and

Fig. 5 eine Messvorrichtung mit zwei Messkernen respektive Messwicklungen.5 shows a measuring device with two measuring cores respectively measuring windings.

[0019] Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.Basically, the same parts are provided with the same reference numerals in the figures.

[0020] 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, W2 gebildet. 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 Ws ist 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.Fig. 1a shows a first embodiment of an inductive element with a measuring device. The inductive element is formed by a transformer having a main core 1 with main windings 2 with winding numbers W1, W2. An inverter 11 feeds the one main winding 2, a rectifier 12 is fed by the second main winding 2. Together, these external circuits form a DC-DC converter with the transformer. The measuring devices and methods according to the invention for the flux density in the main core 1 are, of course, also applicable to other inductive elements such as chokes and to elements with other external circuitry, for example multiphase 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 - depending on the embodiment - for feeding the measuring winding 4 and for detecting and processing of voltages and currents formed 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.

[0021] 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 through main core 1 and measuring core 3 are shown schematically: A main circuit passes through the main core 1 and a measuring circuit through the measuring core 3. The two circles are superimposed in a portion of the main core 1 with reluctance Rm. The arrangement of the sensor device is possible without intervention in the flow path of the transformer.

[0022] Durch den Trafo-Hauptfluss wird der Trafo-Magnetkern respektive Hauptkern 1 ausgesteuert und aufgrund der nicht-linearen Charakteristik des Magnetmaterials die Reluktanz Rm beeinflusst. Die an den Klemmen der Messwicklung 4 zu messende Induktivität Ls ist 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 Rm umgekehrt 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.By the transformer main flow of the transformer magnetic core or the main core 1 is controlled and influenced due to the non-linear characteristic of the magnetic material, the reluctance Rm. The inductance Ls to be measured at the terminals of the measuring winding 4 is thus dependent on the transformer main flux density and can be used as a measure of the instantaneous value of the flux density, i. for the value present in the inductance measuring interval. In detail, the reluctance Rm is inversely proportional to the slope of the BH characteristic of the core material of the main core 1 at the respective operating point (see Fig. 1b) and decreases due to the non-linear characteristic of the magnetic material with increasing magnetic modulation (see Fig. 1c ). The inductance in the respective operating point is inversely proportional to the reluctance Rm. Due to the measured inductance, it is thus possible to directly deduce the reluctance and, by means of known B-H characteristic, to the current value of the flux density. For this, the B-H characteristic of the material must be known in advance.

[0023] 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. In the following, further devices and methods for inductance measurement will be described. This inductance measurement can then be used to determine a flux density and / or saturation according to the above-mentioned Swiss patent application.

[0024] Fig. 2 zeigt eine Messvorrichtung gemäss einer Ausführungsform mit nur einer Messanordnung. 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, s-ι 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 in Serie zur Messwicklung 4 geschaltet und erzeugt in einem Messkreis einen Messstrom Im1. Ein Messgleichrichter 23 ist zum Gleichrichten dieses Messstromes Im1 angeordnet. Eine Messimpedanz aus beispielsweise einer Parallelschaltung einer ersten Messkapazität Cm1 und eines ersten Messwiderstandes Rm1 ist vom gleichgerichteten Messstrom Im1 durchflossen, wodurch über der Messimpedanz ein Spannungssignal vm(t) auftritt. Dieses Spannungssignal dient als Messsignal. 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.Fig. 2 shows a measuring device according to an embodiment with only one measuring arrangement. The above-mentioned optional capacity Cs is not shown here by way of example. The measuring device has a measuring signal source 20 with a half-bridge circuit with two electronic switches S1, S-1, which are each connected to a first connection to a positive connection point 31 or to a negative connection point 32, which are fed by a voltage source 25, and each connected to a second terminal to a common connection point 33 and to a first terminal of the measuring winding 4. A second terminal of the measuring winding 4 is connected to a reference terminal 34 which is at a reference or medium potential. The reference potential can be formed with a capacitive voltage divider with capacitances Cq from the potentials at the positive connection point 31 and at the negative connection point 32. A current transformer 24 is connected in one of the terminals of the measuring winding 4 in series with the measuring winding 4 and generates a measuring current Im1 in a measuring circuit. A measuring rectifier 23 is arranged to rectify this measuring current Im1. A measuring impedance from, for example, a parallel connection of a first measuring capacitance Cm1 and a first measuring resistor Rm1 flows through the rectified measuring current Im1, as a result of which a voltage signal vm (t) occurs across the measuring impedance. This voltage signal serves as a measuring signal. The measurement signal can be further processed, for example, with an analog circuit, or converted by means of an analog-to-digital converter into a digital signal and further processed in digital form.

[0025] Im Betrieb der Schaltung kann mittels der Schalter S-ι, §1 eine periodische Rechteckspannung an die Messwicklung 4 gelegt werden. Es resultiert aufgrund der Induktivität der Messwicklung 4 ein im Wesentlichen als Dreiecksignal verlaufender Messstrom Im1. Der gleichgerichtete Messstrom Im1 ergibt ein durch die Messimpedanz geglättetes Spannungssignal vm(t). Dieses ist umgekehrt proportional zur Induktivität im Messkern 3. Daraus wiederum ist die Flussdichte oder die magnetische Sättigung im Hauptkern 1 in bekannterWeise bestimmbar.During operation of the circuit, a periodic rectangular voltage can be applied to the measuring winding 4 by means of the switches S-1, §1. Due to the inductance of the measuring winding 4, a measurement current Im1 essentially running as a triangular signal results. The rectified measuring current Im1 results in a voltage signal vm (t) smoothed by the measuring impedance. This is inversely proportional to the inductance in the measuring core 3. In turn, the flux density or the magnetic saturation in the main core 1 can be determined in a known manner.

[0026] Es ist die Kapazität Cm1 der Messimpedanz ausreichend gross zu wählen, um eine hinreichende Glättung zu erreichen. Je grösser aber diese Kapazität ist, desto mehr wird die Messung verzögert und die Bandbreite der Messung verschlechtert, also verkleinert. Die folgenden Ausführungsformen der Erfindung zeigen Möglichkeiten, dem entgegenzuwirken: [0027] Fig. 3 zeigt eine Messvorrichtung gemäss einer Ausführungsform mit zwei parallel geschalteten Messanordnungen. Die beiden Messanordnungen entsprechen jeweils im Wesentlichen jener der Fig. 2. Die Messsignalquelle weist zwei Schaltungen auf, die jeweils eine erste und eine zweite Messwicklung 4, 4a an einem ersten und einen zweiten Messkern 3, 3a speisen. Beispielsweise speist eine erste dieser Speiseschaltungen mit ersten Schaltern S-ι, si die erste Messwicklung 4, und eine zweite dieser Speiseschaltungen mit zweiten Schaltern S2, s2 die zweite Messwicklung 4a. BeiIt is the capacitance Cm1 of the measuring impedance to choose sufficiently large in order to achieve a sufficient smoothing. However, the larger this capacity is, the more the measurement is delayed and the bandwidth of the measurement is worsened, ie reduced. The following embodiments of the invention show ways to counteract this: FIG. 3 shows a measuring device according to an embodiment with two measuring arrangements connected in parallel. The two measuring arrangements correspond in each case substantially to those of FIG. 2. The measuring signal source has two circuits, each of which feed a first and a second measuring winding 4, 4a at a first and a second measuring core 3, 3a. For example, a first of these feed circuits with first switches S-1, si feeds the first measuring winding 4, and a second of these feed circuits with second switches S2, s2 feeds the second measuring winding 4a. at

Claims (9)

jeder Messwicklung 4, 4a wird ein entsprechender Messstrom Im1, Im2 erfasst und in einem jeweiligen Messgleichrichter gleichgerichtet, und es wird jeweils mit einer Messimpedanz aus beispielsweise einer Parallelschaltung einer zweiten Messkapazität Cm2 und eines zweiten Messwiderstandes Rm2 ein geglättetes Spannungssignal gebildet. Es werden die beiden geglätteten Spannungssignale summiert, wobei die Summe als Messsignal vm(t) dient. Die Summation kann durch eine Serieschaltung der Messimpedanzen geschehen. [0028] Im Betrieb der Schaltung können mittels der ersten Speiseschaltung und der zweiten Speiseschaltung periodische Rechteckspannungen gleicher Periodendauer erzeugt werden, mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung um eine Viertelperiode, respektive 90°. Fig. 4 zeigt Stromverläufe in der Messvorrichtung der Fig. 3: Oben sind die Messströme Im1, Im2 dargestellt, wobei die Phasenverschiebung um eine Viertelperiode auch hier sichtbar ist, unten die gleichgerichteten Messströme. Die Bildung der geglätteten Spannungssignale erfolgt wie oben bereits beschrieben. Da aber die Summe der geglätteten Spannungssignale theoretisch respektive im Idealfall bereits einem konstanten Signal entspricht, sind die Anforderungen und die Glättung viel geringer, d.h., es können, um eine vergleichbare Glättung zu erzielen, die zweiten Messkapazitäten Cm2 theoretisch null und in der Praxis sehr viel kleiner als die ersten Messkapazitäten Cml der Ausführungsform der Fig. 2 gewählt werden. [0029] Fig. 5 zeigt eine Messvorrichtung mit zwei Teilmesskernen 3b, 3c respektive Teilmesswicklungen 4b, 4c. Die beiden zwei Teilmesskerne 3b, 3c sind bezüglich des Hauptkerns 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. [0030] Im Betrieb dieser Messvorrichtung entstehen Störspannungen, die durch einen Anteil des Hauptflusses, der durch die Messwicklungen fliesst, hervorgerufen werden. Die Schaltung der Fig. 5 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 Serieschaltung tritt also im Wesentlichen keine Störspannung aufgrund des Hauptflusses auf. Solche Serieschaltungen von Teilmesswicklungen 4b, 4c an Teilmesskernen 3b, 3c können in den Ausführungsformen der Fig. 1a, 2 und 3 an Stelle eines jeweils ersten Messkernes 3 und/oder an Stelle eines zweiten Messkernes 3a mit einer jeweiligen Messwicklung 4, 4a eingesetzt werden. Patentansprüchea corresponding measuring current Im1, Im2 is detected and rectified in a respective measuring rectifier of each measuring winding 4, 4a, and a smoothed voltage signal is formed in each case with a measuring impedance of, for example, a parallel connection of a second measuring capacitance Cm2 and a second measuring resistor Rm2. The two smoothed voltage signals are summed, the sum serving as a measurement signal vm (t). The summation can be done by a series connection of the measuring impedances. During operation of the circuit, periodic rectangular voltages of the same period can be generated by means of the first supply circuit and the second supply circuit, with a mutual phase shift by a quarter period, or 90 °. FIG. 4 shows current curves in the measuring device of FIG. 3: At the top, the measuring currents Im1, Im2 are shown, wherein the phase shift by a quarter period is also visible here, below the rectified measuring currents. The formation of the smoothed voltage signals takes place as already described above. However, since the sum of the smoothed voltage signals theoretically or in the ideal case already corresponds to a constant signal, the requirements and the smoothing are much lower, ie, in order to achieve a comparable smoothing, the second measuring capacitance Cm2 theoretically zero and in practice very much smaller than the first measuring capacitance Cml of the embodiment of Fig. 2 can be selected. Fig. 5 shows a measuring device with two partial measuring cores 3b, 3c and part measuring windings 4b, 4c. The two two partial measuring cores 3b, 3c are arranged in the same direction with respect to the main core 1 and the main flow running in the main core 1, that is, that they are traversed by substantially equal portions of the main flow. The two partial measuring windings 4b, 4c are wound in opposite directions and are electrically connected in series. In operation of this measuring device, noise voltages are generated, which are caused by a portion of the main flow flowing through the measuring windings. The circuit of Figure 5 achieves that the parasitic voltages arising in the sub-measuring windings 4b, 4c are reduced by half a period of the periodically varying main flux, i. 180 °, offset from each other and cancel each other out. At the terminals of the series circuit thus occurs essentially no interference voltage due to the main flow. Such series circuits of partial measuring windings 4b, 4c on partial measuring cores 3b, 3c can be used in the embodiments of FIGS. 1a, 2 and 3 instead of a respective first measuring core 3 and / or instead of a second measuring core 3a with a respective measuring winding 4, 4a. claims 1. Messverfahren zur Induktivitätsmessung während der Messung einer magnetischen Flussdichte oder einer magnetischen Sättigung in einem induktiven Element, wobei das induktive Element einen Hauptkern (1) mit mindestens einer Hauptwicklung (2) zum Erzeugen eines Magnetfeldes und eines Hauptflusses im Hauptkern (1) aufweist, und mittels eines ersten Messkernes (3) mit einer ersten Messwicklung (4) ein Messfluss erzeugt wird, welcher in einem Abschnitt dem Hauptfluss überlagert ist, aufweisend die folgenden Schritte - Erzeugen einer periodisch wechselnden ersten Messspannung über der ersten Messwicklung (4); - Bilden, mittels eines Stromwandlers, eines ersten Messstroms, welcher proportional zum Strom durch die erste Messwicklung (4) ist; - Bilden eines ersten Messsignales durch Gleichrichten des ersten Messstroms und Erfassen des ersten Messsigna-les.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 first measuring core (3) with a first measuring winding (4) a measuring flux is generated, which is superimposed in a section of the main flow, comprising the following steps - generating a periodically changing first measuring voltage across the first measuring winding (4); - forming, by means of a current transformer, a first measuring current which is proportional to the current through the first measuring winding (4); - Forming a first measurement signal by rectifying the first measurement current and detecting the first Messsigna-les. 2. Messverfahren gemäss Anspruch 1, wobei ein zweiter Messkern (3a) mit einer zweiten Messwicklung (4a) vorliegt, mit welchem ebenfalls ein Messfluss erzeugt wird, welcher in einem Abschnitt dem Hauptfluss überlagert ist, aufweisend die Schritte - Erzeugen einer periodisch wechselnden zweiten Messspannung über der zweiten Messwicklung (4a), wobei die zweite Messspannung die gleiche Periodendauer wie die erste Messspannung aufweist und gegenüber der ersten Messspannung um eine Viertelperiode verschoben ist; - Bilden, mittels eines zweiten Stromwandlers, eines zweiten Messstroms, welcher proportional zum Strom durch die zweite Messwicklung (4a) ist; - Bilden eines zweiten Messsignales durch Gleichrichten des zweiten Messstroms und Erfassen des zweiten Messsignales; und Bilden der Summe des ersten Messsignales und des zweiten Messsignales.2. Measuring method according to claim 1, wherein a second measuring core (3a) is present with a second measuring winding (4a), with which also a measuring flux is generated, which is superposed in a section of the main flow, comprising the steps - generating a periodically changing second measuring voltage over the second measuring winding (4a), wherein the second measuring voltage has the same period duration as the first measuring voltage and is shifted from the first measuring voltage by a quarter period; Forming, by means of a second current transformer, a second measuring current which is proportional to the current through the second measuring winding (4a); - Forming a second measuring signal by rectifying the second measuring current and detecting the second measuring signal; and forming the sum of the first measurement signal and the second measurement signal. 3. Messverfahren gemäss Anspruch 2, wobei als die erste und als die zweite Messspannung Rechteckspannungen angelegt werden.3. Measuring method according to claim 2, wherein rectangular voltages are applied as the first and second measuring voltage. 4. Messverfahren gemäss Anspruch 1, wobei als Teile des ersten Messkernes (3) und der ersten Messwicklung (4) ein erster Teilmesskern (3b) mit einer ersten Teilmesswicklung (4b) und ein zweiter Teilmesskern (3c) mit einer zweiten Teilmesswicklung (4c) vorliegen, mit welchen jeweils ein Messfluss erzeugt wird, welcher in einem Abschnitt dem Hauptfluss überlagert ist, und wobei durch den Hauptfluss in der ersten Teilmesswicklung (4b) und in der zweiten Teilmesswicklung (4c) jeweils eine Spannung induziert wird, und durch eine Serieschaltung der beiden Teilmesswicklungen (4b, 4c) eine Summenspannung erzeugt wird, in welcher sich diese beiden induzierten Spannungen im Wesentlichen aufheben.4. Measuring method according to claim 1, wherein as parts of the first measuring core (3) and the first measuring winding (4) a first part measuring core (3b) with a first part measuring winding (4b) and a second part measuring core (3c) with a second part measuring winding (4c) are present, with each of which a measuring flux is generated, which is superposed in a section of 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 circuit of the Both partial measuring windings (4b, 4c) generate a sum voltage in which these two induced voltages essentially cancel each other out. 5. Induktives Element mit einer Messvorrichtung zur Induktivitätsmessung während der Messung einer magnetischen Flussdichte oder einer magnetischen Sättigung im induktiven Element, wobei das induktive Element einen Hauptkern (1) mit mindestens einer Hauptwicklung (2) zum Erzeugen eines Magnetfeldes im Hauptkern (1) aufweist, - die Messvorrichtung einen vom Hauptkern (1) verschiedenen ersten Messkern (3) mit einer ersten Messwicklung (4) zum Erzeugen eines Magnetfeldes im ersten Messkern (3) aufweist; - ein von der Hauptwicklung (2) erzeugter magnetischer Fluss und ein von der zweiten Messwicklung (4a) erzeugter magnetischer Fluss sich in mindestens einem Teilbereich des Hauptkernes (1) und/oder des zweiten Messkernes (3a) überlagern; - die Messvorrichtung eine Messsignalquelle (20) aufweist, welche zum Erzeugen einer periodisch wechselnden ersten Messspannung über der ersten Messwicklung (4) angeordnet ist; - die Messvorrichtung einen Stromwandler (24) aufweist, der zum Bilden eines ersten Messstroms, welcher proportional zum Strom durch die erste Messwicklung (4) ist, angeordnet ist; und - die Messvorrichtung einen Messgleichrichter (23) aufweist, welcher zum Bilden eines Messsignales durch Gleichrichten des ersten Messstroms und Erfassen des ersten Messsignales angeordnet ist.5. An inductive element having a measuring device for inductance measurement during the measurement of a magnetic flux density or a magnetic saturation in the 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) first measuring core (3) with a first measuring winding (4) for generating a magnetic field in the first measuring core (3); a magnetic flux generated by the main winding (2) and a magnetic flux generated by the second measuring winding (4a) overlap in at least a portion of the main core (1) and / or the second measuring core (3a); - The measuring device comprises a measuring signal source (20) which is arranged to generate a periodically changing first measuring voltage across the first measuring winding (4); - The measuring device comprises a current transformer (24), which is arranged to form a first measuring current which is proportional to the current through the first measuring winding (4); and - the measuring device has a measuring rectifier (23) which is arranged to form a measuring signal by rectifying the first measuring current and detecting the first measuring signal. 6. Induktives Element mit einer Messvorrichtung gemäss Anspruch 5, wobei -die Messvorrichtung einen vom Hauptkern (1) verschiedenen zweiten Messkern (3a) mit einer zweiten Messwicklung (4a) zum Erzeugen eines Magnetfeldes im zweiten Messkern (3a) aufweist; - ein von der Hauptwicklung (2) erzeugter magnetischer Fluss und ein von der zweiten Messwicklung (4a) erzeugter magnetischer Fluss sich in mindestens einem Teilbereich des Hauptkernes (1) und/oder des zweiten Messkernes (3a) überlagern; - die Messsignalquelle (20) zum Erzeugen einer periodisch wechselnden zweiten Messspannung über der zweiten Messwicklung (4a) angeordnet ist, wobei die zweite Messspannung die gleiche Periodendauer wie die erste Messspannung aufweist und gegenüber der ersten Messspannung um eine Viertelperiode verschoben ist; - die Messvorrichtung einen zweiten Stromwandler (24a) aufweist, der zum Bilden eines zweiten Messstroms, welcher proportional zum Strom durch die zweite Messwicklung (4a) angeordnet ist; - der Messgleichrichter (23) zum Bilden eines zweiten Messsignales durch Gleichrichten des zweiten Messstroms und Erfassen des zweiten Messsignales; und zum Bilden der Summe des ersten Messsignales und des zweiten Messsignales angeordnet ist.6. Inductive element with a measuring device according to claim 5, wherein -the measuring device has a second core (1) different from the main core (3a) with a second measuring winding (4a) for generating a magnetic field in the second measuring core (3a); a magnetic flux generated by the main winding (2) and a magnetic flux generated by the second measuring winding (4a) overlap in at least a portion of the main core (1) and / or the second measuring core (3a); - The measuring signal source (20) for generating a periodically alternating second measuring voltage across the second measuring winding (4a) is arranged, wherein the second measuring voltage has the same period duration as the first measuring voltage and is shifted from the first measuring voltage by a quarter period; - The measuring device comprises a second current transformer (24a) which is arranged to form a second measuring current which is proportional to the current through the second measuring winding (4a); - The measurement rectifier (23) for forming a second measurement signal by rectifying the second measurement current and detecting the second measurement signal; and arranged to form the sum of the first measurement signal and the second measurement signal. 7. Induktives Element mit einer Messvorrichtung gemäss Anspruch 6, wobei die Messsignalquelle zum Erzeugen der ersten und der zweiten Messspannung als Rechteckspannungen angeordnet ist.7. Inductive element with a measuring device according to claim 6, wherein the measuring signal source for generating the first and the second measuring voltage is arranged as rectangular voltages. 8. Induktives Element mit einer Messvorrichtung gemäss Anspruch 5, welche zum Erzeugen der ersten Messspannung zum Speisen der ersten Messwicklung (4) eine Halbbrückenschaltung zum wechselweisen Anlegen einer positiven und einer negativen Speisegleichspannung an einen Anschluss der Messwicklung aufweist.8. Inductive element with a measuring device according to claim 5, which for generating the first measuring voltage for supplying the first measuring winding (4) has a half-bridge circuit for alternately applying a positive and a negative DC supply voltage to a terminal of the measuring winding. 9. Induktives Element mit einer Messvorrichtung gemäss Anspruch 5, wobei ein erster Teilmesskern (3b) mit einer ersten Teilmesswicklung (4b) und ein zweiter Teilmesskern (3c) mit einer zweiten Teilmesswicklung (4c) vorliegen, mit welchen jeweils ein Messfluss erzeugbar ist, welcher in einem Abschnitt dem Hauptfluss überlagert ist, und wobei die erste Teilmesswicklung (4b) und die zweite Teilmesswicklung (4c) in Serie geschaltet und in entgegengesetzte Richtungen gewickelt sind.9. Inductive element with a measuring device according to claim 5, wherein a first part measuring core (3b) with a first part measuring winding (4b) and a second part measuring core (3c) with a second part measuring winding (4c) are present, with each of which a measuring flux can be generated, which superimposed in a portion of the main flux, and wherein the first part of the measuring winding (4b) and the second part of the measuring winding (4c) are connected in series and wound in opposite directions.
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