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Die Erfindung bezieht sich auf eine Strommessspule zur Strommessung in einem Leiter, mit einer Spulenwicklung aus einem leitfähigen Werkstoff, vorzugsweise aus einem leitfähigen Draht, die mit einem nicht magnetischen Kern um den den zu messenden Strom führenden Leiter herum angeordnet ist und in der durch Wechselstrom im Leiter eine Spannung induzierbar ist.
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Der Einsatz derartiger nach dem Prinzip einer Rogowski-Spule ausgebildeter Strommessspulen im Laborbereich ist bekannt. Im Vergleich zu herkömmlichen Stromwandlern haben diese Strommessspulen erhebliche Vorteile. Messgröße ist die in der Strommess- bzw. Rogowski-Spule induzierte Spannung, die auf das magnetische Feld zurückgeht, welches der den Leiter durchfließende Wechselstrom erzeugt.
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Wesentliche Unterschiede zwischen derartigen Strommess- bzw. Rogowski-Spulen und klassischen Stromwandlern sind dadurch begründet, dass kein Eisenkern vorhanden ist. Daher entfallen bei hohen Strömen ansonsten auftretende nicht lineare Sättigungseffekte.
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Mit derartigen Rogowski- bzw. Strommess-Spulen, die über einen robusten Aufbau verfügen, kann eine hohe Messdynamik realisiert werden, so dass sowohl sehr kleine als auch sehr große Ströme, was in Verbindung mit Kurzschlüssen von Bedeutung ist, genau gemessen werden können. Mittels entsprechender Auslegung der Strommess- bzw. Rogowski-Spule kann eine Bandbreite vom Hz- bis zum MHz-Bereich erzielt werden.
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Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderte gattungsgemäße Strommessspule derart weiterzubilden, dass sie eine im Vergleich zum Stand der Technik präzisere und zuverlässigere Strommessung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Spulenwicklung der Strommessspule mehrfach um die Achse einer Öffnung, in der bzw. durch die hindurch der Leiter geführt ist, gewickelt ist. Aufgrund der mehrfachen Umwicklung der Öffnung mit der Spulenwicklung als solcher wird erreicht, dass etwaige Beeinflussungen durch externe magnetische Felder im Vergleich zum Stand der Technik erheblich reduziert werden können. Die erfindungsgemäß ausgestaltete Strommessspule erhöht die Effektivität bei der Übertragung und Abrechnung elektrischer Energie. Sie schafft Voraussetzungen für Kosteneinsparungen durch den Einsatz von Digitaltechnik. Darüber hinaus wird durch die verbesserte Messtechnik die Sicherheit der Stromnetze erhöht, wobei die Auswahlwahrscheinlichkeiten der Stromnetze reduziert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Strommessspule einen Träger auf, um den herum gleichmäßig der leitfähige Draht zur Spulenwicklung gewickelt ist, wobei der leitfähige Draht zum Anfangspunkt der Spulenwicklung zurückgeführt und wobei der Träger mit der Spulenwicklung mehrfach um die den Leiter aufnehmende Öffnung gewickelt ist. Hierdurch ergibt sich eine vergleichsweise stabile Ausgestaltung, wobei aufgrund der gleichmäßig möglichen Bewicklung des Trägers und die mehrfache Umwicklung der den Leiter aufnehmenden Öffnung der Einfluss externer magnetischer Felder weiter zurückgedrängt wird.
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Der Träger kann zweckmäßigerweise als Wickelschnur ausgebildet sein.
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Vorteilhaft ist darüber hinaus der die Spulenwicklung ausbildende leitfähige Draht mit einer Isolierung versehen.
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Die Konstruktion der Spulenwicklung der erfindungsgemäßen Strommessspule besteht aus einem Hinleiter und einem Rückleiter. Wie bereits erwähnt, wird der leitfähige Draht wieder zum Anfangspunkt der eigentlichen Bewicklung zurückgeführt.
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Bei der Auslegung der Strommessspule werden beispielsweise die Parameter der Wickelschnur, wie Durchmesser und Länge, sowie der Werkstoff und der Durchmesser des leitfähigen Drahtes festgelegt. Um bei der Bewicklung Kurzschlüsse zu vermeiden, ist es, wie vorstehend bereits erwähnt, vorteilhaft, wenn der leitfähige Draht eine Isolierung aufweist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strommessspule weist die Spulenwicklung als Rückleiter einen linienförmig verlaufenden leitfähigen Drahtabschnitt, auf den ein fadenförmiges Material geflochten ist und mit dem das aufgeflochtene fadenförmige Material eine Kordel bildet, und als Hinleiter einen gleichmäßig gewickelten leitfähigen Drahtabschnitt auf, der gleichmäßig auf die aus dem linienförmig verlaufenden leitfähigen Drahtabschnitt und dem darauf geflochtenen fadenförmigen Material gebildete Kordel gewickelt ist, wobei der Hinleiter und der Rückleiter an einem Ende der Kordel bzw. der Wickelschnur miteinander verbunden sind.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung dieser vorstehend geschilderten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Strommessspule sieht vor, dass die Spulenwicklung mehrere, zumindest zwei, mit dem fadenförmigen Material umflochtene Rückleiter, die mit dem fadenförmigen Material eine Kordel bzw. eine Wickelschnur bilden, und eine der Anzahl der Rückleiter entsprechende Anzahl von gleichmäßig auf die Kordel bzw. die Wickelschnur gewickelte Hinleiter aufweist, wobei zwischen zwei Hinleitern jeweils eine geflochtene Schicht aus dem fadenförmigen Material angeordnet ist, wobei an einem Ende der Spulenwicklung jeweils ein Hinleiter und ein Rückleiter zu einer Einheit elektrisch miteinander verbunden sind, wobei am anderen Ende der Spulenwicklung der Rückleiter einer Einheit mit dem Hinleiter der folgenden Einheit elektrisch verbunden ist und wobei der Rückleiter der letzten Einheit und der Hinleiter der ersten Einheit als offene Enden verbleiben. Die Einheiten aus Hin- und Rückleiter dieser Spulenwicklung sind dann in Reihe geschaltet.
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Alternativ ist es möglich, dass die Spulenwicklung einen gleichmäßig in einem bestimmten Drehsinn auf eine Schnur aufgewickelten Hinleiter, auf den fadenförmiges Material aufgeflochten ist, und einen gleichmäßig in einem gegenläufigen Drehsinn auf die Schicht aus aufgeflochtenem fadenförmigen Material aufgewickelten Rückleiter aufweist, wobei der Hinleiter und der Rückleiter an einem Ende der Spulenwicklung elektrisch miteinander verbunden sind.
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Gemäß einer Weiterbildung der vorstehend geschilderten Variante weist die Spulenwicklung der erfindungsgemäßen Strommessspule eine Mehrzahl, zumindest zwei, in einem bestimmten Drehsinn gewickelte Hinleiter und in einem gegenläufigen Drehsinn gewickelte Rückleiter auf, wobei zwischen benachbarten Hin- bzw. Rückleitern jeweils eine Schicht aus aufgeflochtenem fadenförmigen Material angeordnet ist, wobei an einem Ende der Spulenwicklung jeweils ein Hin- und ein Rückleiter elektrisch zu einer Einheit verbunden sind, wobei am anderen Ende der Spulenwicklung die Einheit aus jeweils einem Hin- und einem damit verbundenen Rückleiter in Reihe geschaltet sind, und wobei der Hinleiter der ersten Einheit und der Rückleiter der letzten Einheit als offene Enden verbleiben.
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Die Spulenwicklung der erfindungsgemäßen Strommessspule kann spiral- oder wendelförmig mehrfach um die Achse der Öffnung gewickelt sein, wobei die Spulenwicklung in mehreren Schichten die Öffnung umgeben kann. Die entsprechend gestaltete Spulenwicklung kann zur Fixierung bzw. zur Stabilisierung mit einem aus einem geeigneten Isolierstoff, z. B. Harz, Gummi, Silikon od. dgl., ausgebildeten Isolierkörper versehen sein, in dem sie aufgenommen ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Spulenwicklung in einer Ebene spiralförmig mehrfach um die Achse der Öffnung gewickelt sein, wobei das Ende der Spulenwicklung ohne offene Drahtenden am Innenrand und die Anschlüsse der Spulenwicklung am Außenrand der spiralförmig gewickelten Spulenwicklung angeordnet sind.
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Um die Konstruktion der Spulenwicklung zu fixieren und vor äußeren Einflüssen zu schützen, ist es vorteilhaft, wenn die Spulenwicklung in eine Scheibe aus Isolierwerkstoff, z. B. Harz, Gummi, Silikon od. dgl., eingebettet ist, wobei die Scheibe planparallele Flächen und eine zentrale Öffnung aufweist, durch die hindurch später der den zu messenden Strom führende Leiter geführt ist.
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Erfindungsgemäß wird somit eine deutliche Reduzierung der Störempfindlichkeit der Strommessspule erreicht, da sich einzelne Unvollkommenheiten und Ungenauigkeiten, die durch eine nicht vollständig fehlerfreie Herstellung der Spulenwicklung bedingt sind, statistisch aufheben können.
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Darüber hinaus kann ein modulartiger Aufbau der erfindungsgemäßen Strommessspule erreicht werden, wenn mehrere, zumindest zwei, in einer Scheibe aus Isolierwerkstoff eingebettete Spulenwicklungen modulartig zu einer Spulenwicklungsanordnung zusammengestellt werden, wobei die in den einzelnen Scheiben angeordneten Spulenwicklungen mittels eines Anschlusses miteinander verbindbar sind. Je nach Anforderungsprofil an die als Messgerät einzusetzende Rogowski- bzw. Strommess-Spule können so eine Mehrzahl derartiger Scheiben modulartig gestapelt und in Reihe miteinander verbunden werden. Die Fertigung derartiger Strommessspulen kann sehr effektiv gestaltet werden, wobei die erforderliche Signalstärke am Ausgang der Strommessspule beispielsweise über die Anzahl der modulartigen Scheiben eingestellt werden kann. Die Signalstärke jeder einzelnen modulartigen Scheibe ist selbstverständlich abhängig von der Geometrie und der Anordnung der in ihr vorgesehenen Spulenwicklung.
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Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Strommessspule kann die Spulenwicklung auch einextrudiert, als Luftspule ausgeführt oder auf einen geeigneten Werkstoff, wie Gummi, Silikon od. dgl., aufgebracht werden.
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Bei alternativen Ausführungsformen kann die Spulenwicklung statt aus einem leitfähigen Draht auch aus einer auf einen Träger, z. B. auf einen Keramikträger, aufgedampften Metallstruktur ausgebildet sein.
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Darüber hinaus ist es möglich, die Spulenwicklung statt aus einem leitfähigen Draht als Platinenstruktur auszugestalten.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung einer Spulenwicklung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strommessspule zur Strommessung in einem Leiter; und
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2 eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strommessspule.
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Eine erfindungsgemäße Strommessspule 1, die nach dem Prinzip einer Rogowski-Spule funktioniert, dient dazu, den Strom in einem Leiter 2 messtechnisch zu erfassen. Hierzu hat die Strommessspule 1 eine in einer Ausführungsform in 1 gezeigte Spulenwicklung 3 aus einem leitfähigen Draht 4, der mit einem nicht magnetischen Kern um den Leiter 2 herum angeordnet ist. Der Leiter 2 ist in 1 nicht dargestellt und verläuft in Richtung und koaxial der in 1 gezeigten X-Achse.
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Wenn der derart in Bezug auf die Spulenwicklung 3 angeordnete Leiter 2 von einem Wechselstrom durchflossen wird, wird in der Spulenwicklung 3 der Strommessspule eine Spannung induziert, deren Niveau der Stromstärke im Leiter 2 entspricht.
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Bei gemäß dem Prinzip der Rogowski-Spule funktionierenden Strommessspulen 1 ist kein Eisenkern vorhanden. Dementsprechend entfallen die bei hohen Strömen auftretenden nicht linearen Sättigungseffekte, die die Genauigkeit des Messergebnisses beeinträchtigen.
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Wie aus 1 hervorgeht, ist die Spulenwicklung 3 in der dort gezeigten Ausführungsform nach Art einer ebenen Spirale um eine Öffnung 5 gewickelt, in deren Mittelpunkt sich die X-Achse und damit die Achse des Leiters 2 erstreckt. Die Spulenwicklung 3 umgibt den Leiter 2 somit in einer Vielzahl von Schichten. Die Spulenwicklung 3 hat einen gleichmäßig gewickelten leitfähigen Drahtabschnitt 6, der quasi als Hinleiter fungiert, und einen in dem durch die Wicklung entstandenen Innenraum verlaufenden linienförmig verlaufenden leitfähigen Tragabschnitt 7, der quasi als Rückleiter fungiert. Am in 1 inneren, d. h. öffnungsseitigen Ende der Spulenwicklung 3 sind der gleichmäßig gewickelte leitfähige Drahtabschnitt 6 und der linienförmig verlaufende leitfähige Drahtabschnitt 7 elektrisch miteinander verbunden.
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Die Spulenwicklung 3 der Strommessspule 1 kann einen in 1 aus Darstellungsgründen nicht gezeigten Träger aufweisen. Um diesen Träger herum ist der gleichmäßig gewickelte leitfähige Drahtabschnitt 6 herum angeordnet. Der leitfähige Draht 4 ist dann in geeigneter Weise zum Anfangspunkt der Spulenwicklung 3 zurückgeführt. Der Träger ist entsprechend wie die Spulenwicklung 3 mehrfach um die Öffnung 5 gewickelt, durch die hindurch der stromführende Leiter 2, der mit seiner Achse in der X-Achse angeordnet ist, geführt ist.
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Sowohl der in 1 gezeigte gleichmäßig gewickelte leitfähige Drahtabschnitt 6 als auch der ebenfalls in 1 gezeigte linienförmig verlaufende leitfähige Drahtabschnitt 7 des die Spulenwicklung 3 bildenden leitfähigen Drahts ist mit einer geeigneten Isolierung versehen.
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Der in 1 nicht gezeigte Träger ist quasi als Wickelschnur ausgebildet.
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In einer Ausführungsform kann auf den in 1 gezeigten linienförmig verlaufenden leitfähigen Drahtabschnitt 7 ein fadenförmiges Material aufgeflochten sein. Gemeinsam bilden der linienförmig verlaufende leitfähige Drahtabschnitt 7 und das auf ihn geflochtene fadenförmige Material eine Kordel. Der linienförmig verlaufende leitfähige Drahtabschnitt 7 dient als Hinleiter der Spulenwicklung 3. Auf die Kordel ist der als Hinleiter der Spulenwicklung 3 fungierende leitfähige Drahtabschnitt 6 gleichmäßig gewickelt. An einem Ende der Kordel sind der gleichmäßig gewickelte leitfähige Drahtabschnitt 6 und der linienförmig verlaufende leitfähige Drahtabschnitt 7, die als Hin- bzw. Rückleiter fungieren, elektrisch miteinander verbunden.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der Strommessspule 1 ist die vorstehend erläuterte Struktur quasi mehrschichtig realisiert. Eine Mehrzahl linienförmig verlaufender leitfähiger Drahtabschnitte 7, die jeweils Rückleiter der Spulenwicklung bilden, sind mit dem vorstehend bereits erwähnten fadenförmigen Material umflochten. Auf der so geschaffenen Kordel ist ein gleichmäßig gewickelter leitfähiger Drahtabschnitt 6 angeordnet, der wiederum von einer Schicht des fadenförmigen Materials umflochten ist. Auf dieser Schicht fadenförmigen Materials ist wiederum ein gleichmäßig gewickelter leitfähiger Drahtabschnitt 6 angeordnet. Die Anzahl der gleichmäßig gewickelten leitfähigen Drahtabschnitte 6, die jeweils als Hinleiter fungieren, entspricht der Anzahl der linienförmig verlaufenden leitfähigen Drahtabschnitte 7. Zwischen den aufeinanderfolgenden gleichmäßig gewickelten leitfähigen Drahtabschnitten 6 ist jeweils eine Schicht des geflochtenen fadenförmigen Materials angeordnet. An einem Ende der so geschaffenen Kordel werden elektrische Verbindungen zwischen jeweils einem Hinleiter bzw. gleichmäßig gewickeltem leitfähigen Drahtabschnitt 6 und Rückleiter bzw. linienförmig verlaufendem leitfähigen Drahtabschnitt 7 geschaffen. Die entsprechend zusammengefassten Anordnungen aus Hinleiter und Rückleiter werden am anderen Ende der Kordel in Reihe geschaltet. Das heißt, der Rückleiter der ersten entsprechenden Anordnung wird mit dem Hinleiter der zweiten entsprechenden Anordnung verbunden. Dieses Verfahren wird bis zum Hinleiter der letzten entsprechenden Anordnung fortgeführt, so dass der Rückleiter der letzten entsprechenden Anordnung und der Hinleiter der ersten entsprechenden Anordnung als offene Enden übrig bleiben.
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Alternativ kann die Spulenwicklung einen gleichmäßig in einem bestimmten Drehsinn auf eine Schnur aufgewickelten Hinleiter und einen gleichmäßig in einem gegenläufigen Drehsinn auf den Hinleiter aufgewickelten Rückleiter aufweisen, wobei zwischen dem Hinleiter einerseits und dem Rückleiter andererseits eine Schicht aus dem fadenförmigen Material vorgesehen ist. Der Hinleiter und der Rückleiter sind an einem Ende der Spulenwicklung elektrisch miteinander verbunden.
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Alternativ kann die vorstehend geschilderte Struktur verdoppelt bzw. vervielfacht werden, wobei zwischen benachbarten Hin- bzw. Rückleitern jeweils eine Schicht aus dem aufgeflochtenen fadenförmigen Material angeordnet ist. An einem Ende der derart strukturierten Spulenwicklung sind jeweils ein Hin- und ein Rückleiter elektrisch miteinander verbunden. Am anderen Ende der Spulenwicklung sind die Einheiten aus jeweils einem Hin- und Rückleiter in Reihe geschaltet. Der Hinleiter der ersten entsprechenden Schicht bzw. Einheit und der Rückleiter der letzten Schicht bzw. Einheit verbleiben als offene Enden.
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Anstelle der in 1 gezeigten in einer Ebene verlaufenden spiralförmigen Spulenwicklung 3 kann die Spulenwicklung der Strommessspule 1 auch wendelförmig oder in einer nicht ebenen Spirale mehrfach um die X-Achse der Öffnung 5 geführt bzw. gewickelt sein.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform der Strommessspule 1 ist die Spulenwicklung 3 in einer Ebene spiralförmig mehrfach um die X-Achse der Öffnung 5 gewickelt. Das Ende der Spulenwicklung 3, an der der gleichmäßig gewickelte leitfähige Drahtabschnitt 6 mit dem linienförmig verlaufenden leitfähigen Drahtabschnitt 7 elektrisch verbunden ist, ist am der Öffnung 5 zugewandten Innenrand der Spirale angeordnet. Die Anschlüsse der Spulenwicklung 3 sind am Außenrand der Spirale vorgesehen.
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Die Spulenwicklung 3 kann, wie insbesondere aus 2 hervorgeht, in eine Scheibe 8 aus einem geeigneten Isolierwerkstoff eingebettet sein. Als Isolierwerkstoff kommt z. B. ein geeignetes Harz, Gummi, Silikon od. dgl. in Frage. Die Scheibe 8 hat planparallele Flächen und in ihrem mittleren Bereich die Öffnung 5, durch die hindurch der stromführende Leiter 2 verläuft.
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Eine erfindungsgemäße Strommessspule 1 kann in einer Ausführungsform aus einer Vielzahl derartiger, mit einer Spulenwicklung 3 versehenen Scheiben 8 ausgebildet sein, wobei bei der in 2 gezeigten Ausführungsform drei derartiger Scheiben 8 vorgesehen sind.
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Bei der in 2 gezeigten Strommessspule handelt es sich somit um eine Spulenwicklungsanordnung 9, die modulartig aus gleichartigen Scheiben 8, die jeweils mit einer Ausführungsform einer Spulenwicklung 3 versehen sind, ausgebildet ist. Dem Anschluss der in den Scheiben 8 angeordneten Spulenwicklungen 3 dient ein Anschluss 10.
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Je nach Anforderungsprofil lässt sich die Strommessspule 1 als Spulenwicklungsanordnung 9 aus einer beliebigen Anzahl der Scheiben 8 realisieren, so dass für jeden Einsatzfall eine entsprechend angepasste und ausgelegte Strommessspule 1 zur Verfügung gestellt werden kann. Durch die Einbettung der Spulenwicklung 3 in die aus dem Isoliermaterial bestehende Scheibe 8 wird eine deutliche Reduzierung der Störempfindlichkeit der Spulenwicklung 3 erreicht, da sich Unregelmäßigkeiten, die durch eine nicht vollständig fehlerfreie Herstellung der Spulenwicklung 3 bedingt sein können, statistisch aufheben können.
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Alternativ kann die Spulenwicklung der erfindungsgemäßen Strommessspule einextrudiert sein. Die Spulenwicklung kann darüber hinaus als Luftspule ausgeführt sein. Es ist auch möglich, die Spulenwicklung auf einem geeigneten Werkstoff wie Gummi, Silikon od. dgl., aufzubringen.
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Außer durch einen leitfähigen Draht kann die Spulenwicklung auch in Form einer aufgedampften Metallstruktur realisiert sein, wobei z. B. Metalldampf auf einen Keramikträger aufgedampft werden kann.
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Des Weiteren sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Strommessspule 1 möglich, bei denen die Spulenwicklung als Platinenstruktur ausgebildet ist. Wesentlich für die erfindungsgemäße Strommessspule 1 ist, dass der elektrische Leiter 2, der den zu messenden Strom führt, mehrschichtig von der Spulenwicklung 3 der Strommessspule 1 umgeben ist. Hierdurch wird die Beeinflussung des Messergebnisses durch externe magnetische Felder erheblich reduziert.
