DD272517A1

DD272517A1 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR TOUCHLESS MEASUREMENT OF HIGH-STROUNDS WITH A CHANGED RANGE OF MEASUREMENT

Info

Publication number: DD272517A1
Application number: DD31628688A
Authority: DD
Inventors: Lutz Winkler; Udo Hanke; Klaus Buchold; Ekkehardt Anke
Original assignee: Inst Prueffeld Elekt
Priority date: 1988-06-01
Filing date: 1988-06-01
Publication date: 1989-10-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur beruehrungslosen Messung von Hochstroemen, insbesondere in Hochleistungspruefeinrichtungen oder Energieversorgungssystemen. Erfindungsgemaess erfolgt eine konstante Aufteilung des Stromleiters in n Teilleiter mit annaehernd gleichen Widerstandswerten und danach eine variable Weiterfuehrung des Stromes der n Teilleiter durch m Kontaktstellen, wodurch m Teilstroeme entstehen. Von einem oder mehreren magnetfeldabhaengigen Wandlern wird die Resultierende der vom Gesamtstrom und der Teilstroeme I/m oder nur der Teilstroeme I/m erzeugten Magnetfelder in der Weise gemessen, dass die empfindliche Achse der magnetfeldabhaengigen Wandler parallel geschnitten wird und die nachfolgenden Signalverarbeitungseinheiten im magnetfeldfreien Raum angeordnet sind. Die Verknuepfung der gemessenen Signale zum Gesamtsignal erfolgt in einer nachgeordneten Auswerteeinheit. Fig. 1The invention relates to a method and an arrangement for the contactless measurement of high currents, in particular in high-performance testing devices or energy supply systems. According to the invention, there is a constant division of the current conductor into n subconductors having approximately the same resistance values, and then a variable continuation of the current of the n subconductors through m contact points, resulting in m sub-currents. One or more magnetic field-dependent transducers measure the resultant of the magnetic fields generated by the total current and partial currents I / m or only partial currents I / m in such a way that the sensitive axis of the magnetic field-dependent transducers is cut in parallel and the subsequent signal processing units are arranged in magnetic-field-free space are. The linking of the measured signals to the total signal takes place in a downstream evaluation unit. Fig. 1

Description

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Bekannt ist ein berührongsloses Meßverfahren, DE-OS 3130227, bei dem um den Leiter ein Magnetkern aus weichmagnetischem Material angeordnet ist, der an seinem inneren Umfang einen Einschnitt zur Aufnahme eines magnetfeldempfindlichen Halbleiterelementes aufweist. Der Nachteil dieses Verfahrens, aber auch des Verfahrens nach der DE-PS 3040316 besteht darin, daß die Strommessung indirekt durch den im magnetischen Material vorhandenen Fluß erfolgt und demzufolge material- und damit sehr stark frequenzabhängig ist, so daß große Stromsteilheiten nur ungenau meßbar sind. Gemäß der DE-OS 3416244 wird die mit der Bewegung von Ladungen verbundene Kraftwirkung ausgenutzt, indem ein piezoresistiver Membranbereich den entstehenden Druck mißt, welcher ein Maß für den Strom darstellt. Als nachteilig hat sich hierbei herausgestellt, daß ein relativ hoher Aufwand an Feinstmechanik sowid ein großer Aufwand zur Abschirmung der auftretenden elektromagnetischen Störfelder erforderlich ist, da der Signalkreis sich unmittelbar am stromführenden Leiter befindet Gemäß dem magnetischen Hochspannungs-Hochstrom-Meßwandler nach der DE-OS 2543134 ist um den stromführenden Leiter ein Lichtleitkabel mitKnown is a berührongsloses measuring method, DE-OS 3130227, in which a magnetic core of soft magnetic material is arranged around the conductor, which has an incision for receiving a magnetic field-sensitive semiconductor element at its inner periphery. The disadvantage of this method, but also the method according to DE-PS 3040316 is that the current measurement is carried out indirectly by the existing flux in the magnetic material and therefore material and thus very much frequency dependent, so that large current gradients are only inaccurately measurable. According to DE-OS 3416244, the force effect associated with the movement of charges is utilized by a piezoresistive membrane area measuring the resulting pressure, which is a measure of the current. A disadvantage has been found here that a relatively high cost of precision mechanics sowid a great deal of effort to shield the electromagnetic interference is required because the signal circuit is located directly on the current-carrying conductor According to the magnetic high-voltage high-current transducer according to DE-OS 2543134 is a fiber optic cable around the current-carrying conductor

polarisiertem Licht angeordnet. Dabei wird durch das Magnetfel i des Stromes die Polarisationsebene des Lichtes gedreht und die Drehung als ein Maß des Stromes ausgewiesen. Dieses Verfahren ist nun wiednr mit dem Nachteil der Notwendigkeit eines hohen Aufwandes an Präzisionstechnik wie Laser, Detektor, Koppelstellenlichtleitkiibel mit Sender und Empfänger sowie hochempfindlichen Auswerteeinrichtungen verbunden.arranged polarized light. The polarization plane of the light is rotated by the magnetic field i of the current and the rotation is shown as a measure of the current. This method is now again connected with the disadvantage of the need for a high cost of precision technology such as laser, detector, coupling point Lichtleitkiibel transmitter and receiver and highly sensitive evaluation.

Gemäß der CH-PS 414010 ist auch bereits eine Einrichtung zum Messen des Stromes in einem Leiter mit einem dem Leiter zugeordneten magnetfeldempfindlichen Geber bekannt, der beim Messen von Strömen in Hochspannungsleitungen zwischen jeweils droi im Dreieck angeordneten Leitern eines Hochspannungsnetzes so gehalten wird, daß er auf der Verbindungslinie zwischen jeweils zwei benachbarten Hochspannungsleitern in einer derartigen Anordnung liegt, daß das von dem jeweiligen Hochspannungsleiter herrührende Magnetfeld dio zur Erzeugung des elektrischen Signals erforderliche Richtung besitzt, während die von den übrigen Hor.hspannungsleitern ausgehenden Magnetfelder an den Orten der ihnen nicht zugeordneten Geber höchstens eine vernachlässiyharp Komponente in der jeweils zur Erzeugung des Signals erforderlichen Richtung besitzen. Dieser Einrichtung haftet der Nachteil an, daß neben einem relativ hohen Meßfehler auch sehr große Aufwendungen für Abschirmungen und Haltevorrichtungen der Gebar notwendig sind. Des weiteren ist oine Einrichtung zum Messen eines Stromes bekannt, bei der ein magnetfeldempfindlicher Geber in einer achsparallelen Bohrung eines den Leiter bildenden Stabes untergebracht ist und das im Leiter befindliche Magnetfeld mißt. Diese Einrichtung ist aber ebenfalls mit dem Nachteil behaftet, daß große Stromsteilheiten infolge des Skin-Effektes nur unvollständig und damit ungenau erfaßt werden. Außerdem ist eine sehr sorgfältige Abschirmung der Signal- und Versorgungsleitungen notwendig, da diese ebenfalls dem Magnetfeld ausgesetzt sind.According to the CH-PS 414010 also a device for measuring the current in a conductor with a conductor associated magnetic field sensitive encoder is known, which is held when measuring currents in high voltage lines between each droi arranged in the triangle conductors of a high voltage network that he on the connecting line between each two adjacent high-voltage conductors in such an arrangement that the originating from the respective high-voltage conductor magnetic field dio has the direction required for generating the electrical signal, while the outgoing of the remaining Hor.hspannungsleitern magnetic fields at the locations of their unassigned donors at most have a negligible component in the direction required to generate the signal. This device has the disadvantage that in addition to a relatively high measurement error and very large expenses for shielding and holding devices of the Gebar are necessary. Furthermore, oine means for measuring a current is known, in which a magnetic field sensitive encoder is housed in an axially parallel bore of a conductor forming the rod and measures the magnetic field in the conductor. However, this device is also associated with the disadvantage that large current gradients are detected due to the skin effect only incomplete and thus inaccurate. In addition, a very careful shielding of the signal and supply lines is necessary because they are also exposed to the magnetic field.

Schließlich ist nach der D¹^-PS 228362 — siehe auch DE-OS 3517095—auch schon eine Anordnung zum Messen eines Stromflusses durch Messen der vom Strom erzeugten Umlaufspannung entlang dos Flandes einer beliebigen, vom Strom durchfluteten Fläche mittels magnetfeldempfindlicher, den Stromfluß ontlang des Randes dieser Fläche umgebender Elemente bekannt, bei der eine endliche Anzahl schmaler, streifenförmiger, ferromagnetischer, magnetoresistiver Dünnschichtelemente zur Anwendung kommt, wobei diese Elemente gemf.ß einere bevorzugten Xusführung in einer Art Stromzange untergebracht sind unddenstromdurchflossenen Loiter umgeben. Diese Anordnung weist jedoch den Nachteil auf, daß sie lediglich zum Messen relativ kleiner Ströme geeignet ist und eine konstante Meßempfindlichkeit besitzt.Finally, according to the D ¹ ^ -PS 228362 - see also DE-OS 3517095-also already an arrangement for measuring a current flow by measuring the voltage generated by the current circulation along dos Flandes any, flooded by the surface by means of magnetic field sensitive, the current flow ontlang of Edge of this surface of surrounding elements is known, in which a finite number of narrow, strip-shaped, ferromagnetic, magnetoresistive thin-film elements is used, said elements are housed according to a preferred Xusführung in a kind of current clamp and the current flowing Loiter surrounded. However, this arrangement has the disadvantage that it is only suitable for measuring relatively small currents and has a constant measuring sensitivity.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Anordnung zur berührungslosen Messung von Hochströmen zu realisieren. Dabei soll bei vergleichswdise geringem konstruktivem und meßtechnischem Aufwand eine nah'zu universelle Einsatzmöglichkeit erreicht werden.The aim of the invention is to realize a method and an arrangement for non-contact measurement of high currents. At a comparatively low level of design and measuring effort, a near-universal application is to be achieved.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zurbeiührungslosen Messung von Hochströmen zu entwickeln, daß einen großen dynamischen Meßbereicr besitrt und verschiedene Meßbereiche ohne Veränderung der geometrischen Abmessungen ermöglicht, Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine konstante Aufteilung des Stromleiters in η Teilleiter mit annähernd gleichen Widerstandswerten upd danach eine variable Weiterführung des Stromes der η Tonleiter durch m Kontaktstellen erfolgt, wodurch m Teilströme entstehen.The invention has for its object to develop a method and an arrangement for non-contact measurement of high currents besitrt a large dynamic Meßbereicr and allows different measuring ranges without changing the geometric dimensions, According to the invention the object is achieved in that a constant distribution of the conductor in η Subconductor with approximately the same resistance values upd then follows a variable continuation of the current of the η scale through m contact points, whereby m partial currents arise.

Von einem oder mehreren magnetfeldabhängigen Wandlern wird die Resultierende der vorn Gesamts;trom und derTeilströrne l/m oder nur der Teilströme l/m erzeugten Magnetfelder in der Weise gemessen, daß die empfindliche Achse der magnetfeldabhängigen Wandler parallel geschnitten wird und die nachfolgenden Signalverarbeitungseinheiten im magnetfeldfreien Raum angeordnet sind. Die Verknüpfung der gemessenen lignale zum Gesamtsignal erfolgt durch eine an sich bekannte nachgeordnete Auswerteeinrichtung.One or more magnetic field-dependent transducers measure the resultant of the magnetic fields generated in front of the total current and partial current I / m or only the partial currents I / m in such a way that the sensitive axis of the magnetic field-dependent transducers is cut in parallel and the subsequent signal processing units in magnetic field-free space are arranged. The linkage of the measured signals to the overall signal is effected by a known downstream evaluation device.

Konstruktiv ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung der stromführende Leiter mit mehreren Teilleitern elektrisch verbunden, wobei zwischen den Teilleitern der oder die magnetfeldabhängigen Wandler angeordnet sind. Die Endpunkte der Trilleiter sind mit einer Scheibe kontaktiert, die ihrerseits mit dem Rückieiter elektrisch verbunden ist. In Ausgestaltung der Erfindung sind die Teilleiter stabförmig ausgebildet und in einer Käfiganordnung positioniert oder bestehen aus Hohlzylindern aus nichtmagnetischem Materini. Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, daß bei einer Anordnung, die Hochstrom führt, eine potentialfreie Strommessung mit hochempfindlichen magnetoresistiven Elementen ermöglicht wird, ohne diese zu übersteuern bzw. zu zerstören.Structurally, in the arrangement according to the invention, the current-carrying conductor is electrically connected to a plurality of sub-conductors, wherein the one or more magnetic-field-dependent transducers are arranged between the sub-conductors. The end points of the tril conductors are contacted with a disc, which in turn is electrically connected to the Rückieiter. In an embodiment of the invention, the sub-conductors are rod-shaped and positioned in a cage assembly or consist of hollow cylinders of non-magnetic Materini. By the method according to the invention and the arrangement according to the invention it is achieved that in an arrangement which carries high current, a potential-free current measurement with highly sensitive magnetoresistive elements is made possible without overriding or destroying them.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawings show:

Fig. 1: Anordnung zur berührungslocen Messung von Hochströmen mit stabförmiger Anordnung der Teilleiter.Fig. 1: Arrangement for the contactless measurement of high currents with rod-shaped arrangement of the conductor part.

Fig. 2: Anordnung zur beführungslosen Messung von Hochströmen, wobei die Teilleiter als Hohlzylinder ausgebildet sind undFig. 2: Arrangement for the unthreaded measurement of high currents, wherein the sub-conductors are formed as a hollow cylinder and

der Sensor sich im äußeren Bereich der Hohlzylinder befindetthe sensor is located in the outer area of the hollow cylinder

Fig. 3: Schnitt der Anordnung nach Fig. 2. 3: section of the arrangement according to FIG. 2.

Fig. 4: Anordnung zur berührungslosen Messung von Hochströmen, wobei die Teilleiter als Hohlzylinder ausgebildet sind und ¹ der Sensor sich im inneren Bereich der Hohlzylinder befindet.Fig. 4: Arrangement for non-contact measurement of high currents, wherein the sub-conductors are formed as a hollow cylinder and ^1, the sensor is located in the inner region of the hollow cylinder.

Gemäß Fig. 1 besteht die Anordnung aus einem stromführenden Leiter 1, in den dur Strom eingespeist wird, aus η Teilleitern 2.1, 2.2,..., 2.η mit annähernd gleichen Widerstandswerten, die der. Strom in η gleiche Teilströme aufteilen und zu einer Käfiganordnung 6 zusammengefaßt sind, eine Scheibe 4, die die Teilströme senkrecht koaxial nach außen einem Rückleiter 5 in Form eines koaxialen Zylinders zuführt, über den der Strom zurück zu einem zweiten stromführenden Leiter 8 fließt. Des weiteren befindet sich auf der Oberfläche der Käfiganordnung 6 zwischen zwei Teilleitern, z. B. 2.1 und 2.2, außermittig ein magnetfeldempfindlicher Halbleiter, vorzugsweise ein magnetoresistiver Wandler 3 und exakt in der Mitte zwischen beiden Teilleitern 2.1 und 2.2 eine Halterung 7 mit sämtlichen Sensorleitungen, vorzugsweise ein Rohr aus magnetischem Material für Abscliirmzwecke, in welchem sich ebenfalls meßtechnische Verarbeitungseinrichtungen befinden können. Die Messung des Stromes selbst erfolgt durch die Erfassung der sich überlagernden Magnetfelder, herrührend von den Teilströmen durch die Teilleiter 2.1 bis 2.n, wobei überwiegend die Teilmagnetfelder der direkt benachbarten Teilleiter 2.1 und 2.2 die meßtechnische Komponente liefern.According to Fig. 1, the arrangement consists of a current-carrying conductor 1, in the dura current is fed from η sub-conductors 2.1, 2.2, ..., 2.η with approximately the same resistance values, the. Divide current into η equal part streams and are combined to form a cage assembly 6, a disc 4, the vertical flows coaxially outside a return conductor 5 in the form of a coaxial cylinder, via which the current flows back to a second current-carrying conductor 8. Furthermore, located on the surface of the cage assembly 6 between two sub-conductors, z. B. 2.1 and 2.2, eccentrically a magnetic field sensitive semiconductor, preferably a magnetoresistive transducer 3 and exactly in the middle between the two sub-conductors 2.1 and 2.2 a holder 7 with all sensor lines, preferably a tube of magnetic material for Abscliirmzwecke, in which are also metrological processing facilities can. The measurement of the current itself is carried out by the detection of the superimposed magnetic fields, originating from the partial currents through the sub-conductors 2.1 to 2.n, with predominantly the partial magnetic fields of the directly adjacent sub-conductors 2.1 and 2.2 provide the metrological component.

Die Anordnung gemäß Fig. 2 besteht aus dem stromführenden Leiter 1, vorzugsweise in Form eines runden Stabes, in den der Strom eingespeist wird, einer koaxialen Zylinderanordnung 9, bestehend aus η koaxialen Teilleitern 2.1,2.2,..., 2.n, die gegenseitig isoliert sind, nahezu gleiche Widerstandswerte aufweisen und aus nichtmagnetischem Material bestehen, einer Scheibe 4, die wahlweisem konzentrische Teilleiter aufweist und den stromführenden Leiter 1 elektrisch mit den Teilleitern 2.1, 2.2,..., 2.η verbindet, wobei der Strom über den Leiter 1, die Scheibe 4, den koaxialen Teilleitern 2.1,2.2,..., 2.η und dem zweiten stromführenden Leiter 8 fließt. Die Messung des Stromes erfolgt durch Erfassung der Resultierenden des Magnetfeldes, aus den Magnetfeldkomponenten, die einerseits vom Strom durch den Leiter 1 und andererseits von den Teilströmen durch die Teilleiter 2.1, 2.2,..., 2.η herrühren. Der magnefeldabhängige Wandler 3 ist durch eine Bohrung 7 zwischen den äußeren Teilleitern 2.η - 1 und 2.η angeordnet, wobei die Signalleitungen über eine Halterung 8 nach außen geführt werden. Ein Schnitt der beschriebenen Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Es ist jedoch auch möglich, daß jeweils zwischen zwei Teilleitern 2.1,2.2, . ., 2.η ein magnetfeldabhängiger Wandler 3.1,3.2,3.η angeordnet ist und die Signale in einer nachgeordneten Verarbeitungseinheit entsprechend dem Skineffekt derartiger Anordnungen zu einem Gesamtsignal verarbeitet werden. Die Anordnung gemäß Fig.4 entspricht in ihrem koaxialen Aufbau der Teilleiter 2.1,2.2,..., 2.η dem der Fig.2, jedoch ist der magnetfeldabhängige Wandler 3 durch eine Bohrung 11 im innersten Teilleiter 2.1 zwischen dem ersten und zweiten Teilleiter 2.1 und 2.2 angeordnet, dessen Halterung 7 mit den Signalleitungen im Inneren der koaxialen Zylinderanordnung 9 angeordnet und durch eine Bohrung 10 stirnseitig nach außen geführt ist.The arrangement of FIG. 2 consists of the current-carrying conductor 1, preferably in the form of a round rod, in which the current is fed, a coaxial cylinder assembly 9, consisting of η coaxial sub-conductors 2.1,2.2, ..., 2.n, the are mutually insulated, have almost equal resistance values and consist of non-magnetic material, a disc 4, the optional concentric conductor part and the current-carrying conductor 1 electrically to the sub-conductors 2.1, 2.2, ..., 2.η connects, the current through the Conductor 1, the disc 4, the coaxial sub-conductors 2.1,2.2, ..., 2.η and the second current-carrying conductor 8 flows. The measurement of the current takes place by detecting the resultant of the magnetic field, from the magnetic field components, on the one hand by the current through the conductor 1 and on the other hand by the partial currents through the sub-conductors 2.1, 2.2, ..., 2.η originate. The magnetic field-dependent transducer 3 is arranged through a bore 7 between the outer partial conductors 2.η - 1 and 2.η, wherein the signal lines are guided via a holder 8 to the outside. A section of the described arrangement is shown in Fig. 3. However, it is also possible that in each case between two sub-conductors 2.1.2.2,. ., 2.η a magnetic field-dependent transducer 3.1,3.2,3.η is arranged and the signals are processed in a downstream processing unit according to the skin effect of such arrangements into a total signal. The arrangement according to Figure 4 corresponds in its coaxial structure of the sub-conductors 2.1.2.2, ..., 2.η that of Figure 2, but the magnetic field-dependent transducer 3 through a bore 11 in the innermost sub-conductor 2.1 between the first and second sub-conductor 2.1 and 2.2 arranged, the holder 7 is arranged with the signal lines in the interior of the coaxial cylinder assembly 9 and guided through a bore 10 frontally to the outside.

Claims

1. A method for non-contact measurement of high currents with variable range using magnetic field-dependent transducer, characterized in that a constant division of the conductor in η sub-conductor with approximately the same resistance values and then a variable continuation of the current of the η sub-conductor is achieved by m contact points, whereby By one or more magnetic field-dependent transducers, the resultant of the total current and the partial currents Vm or only the partial currents Vm generated magnetic fields is measured in such a way that the sensitive axis of the magnotfeldabhängigen converter is cut in parallel and the subsequent Signal processing units are arranged in Magnetfeldfraien space, wherein the combination of the measured signals to the total signal by a known downstream evaluation takes place.

2. The method according to claim 1, characterized in that the number of m contact points <the number of η part conductor.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the metrological processing takes place in that the signals detected by the magnetic field-dependent transducers amplified and digitized at increased demands on the Störsicharheit and are converted optoelectronically,

4. Arrangement for non-contact measurement of high currents with variable measuring range using magnetic field-dependent transducer, characterized in that the current-carrying conductor (1) with several TeiUeitern (2.1,2.2, ..., 2, n) is electrically connected, wherein between the sub-conductors 2.1, 2.2, ..., 2.n) or the magnetic field-dependent transducer (3) are arranged and the end points of the part conductor (2.1, 2.2 ..., 2.η) with a disc (A) ₁ with the return conductor (5) is connected, are contacted.

5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the one or more magnetic field-dependent transducers (3) are designed as magnetoresistive elements.

6. Arrangement according to claim 4, characterized in that the sub-conductors (2.1, 2.2, ..., 2.n) rod-shaped and are positioned in a cage assembly (6).

7. Arrangement according to claim 4 and 6, characterized in that the number of sub-conductors (2.2,2.2, ..., 2.n) is even.

8. Arrangement according to claim 4 to 7, characterized in that the one or more magnetic field-dependent transducer (3) by means of a holder (7) in each case between two rod-shaped partial conductors (2.1, 2.2, ..., 2.n) are arranged.

9. Arrangement according to claim 4, characterized in that the sub-conductors (2.1, 2.2, ..., 2.n) are formed as a hollow cylinder of non-magnetic material.

10. Arrangement according to claim 4 and 9, characterized in that formed as a hollow cylinder sub-conductors (2.1, 2.2, ..., 2.n) have hierarchically different resistance values in such a way that the outermost sub-conductor (2, n) the largest Resistance value and the innermost Teüleiter (2.1) has the smallest resistance value.

11. Arrangement according to claim 4, 9 and 10, characterized in that the or the magnetic field-dependent transducer (3) by means of a holder (7) in each case between two of the hollow cylinder designed as a sub-conductor (2.1, 2.2, ..., 2, n) are positioned.

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