Für die galvanisch getrennte bzw. berührungslose Strommessung sind bisher unterschiedliche Techniken realisiert worden. Dabei werden generell weichmagnetisierbare Ringkerne mit einer so genannten Primär- und einer Sekundärwicklung eingesetzt. Der mit dem zu messenden elektrischen Strom durch den Ringkern (kurz: Messstrom) geführte Leiter repräsentiert die Primärwicklung mit der Windungszahl kleiner als 1. Der Sekundärkreis, üblicherweise mit hoher Windungszahl, wird dann mit einer Wechselspannung beaufschlagt, welche die Magnetisierung des Ringkerns mit einer definierten Periode und Amplitude beeinflusst. Fließt ein Strom durch den Primärkreis bzw. durch den elektrischen Leiter, so wird dabei die Magnetisierung des Ringkerns geändert. Bei den Stromsensoren wird die Änderung der Magnetisierung des Ringkerns durch den Messstrom als Maß zur Bestimmung des Messstroms genutzt.For the galvanically isolated or non-contact current measurement different techniques have been realized so far. Magnetically magnetizable toroidal cores with a so-called primary and a secondary winding are generally used. The with the measured electric current through the toroidal core (short: measuring current) guided conductor represents the primary winding with the number of turns less than 1. The secondary circuit, usually with high number of turns, is then acted upon by an alternating voltage, which the magnetization of the toroidal core with a defined Period and amplitude influenced. If a current flows through the primary circuit or through the electrical conductor, the magnetization of the toroidal core is changed. In the case of the current sensors, the change in the magnetization of the toroidal core is used by the measuring current as a measure for determining the measuring current.
Für die berührungslose Strommessung werden in der Regel zwei Grundkonzepte verwendet. Beim ersten, kostengünstigeren Konzept (z. B. DE 36 13 991 A1 und WO 2007/005578 A1 ) wird die Änderung der Magnetisierung des Ringkerns durch eine Schaltanordnung registriert und als Maß für die Stromstärke im Primärkreis verwendet. Da die Magnetisierung von dem magnetischen Material, der Umgebungstemperatur und den äußeren (Stör-) Magnetfeldern abhängt, sollte jedes Messsystem separat kalibriert werden, sofern eine hohe Genauigkeit verlangt wird. Außerdem ist die Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ein Problem, das entweder durch eine aufwendig konstant zu haltende Umgebungstemperatur oder durch eine Kalibrierung gelöst wird. Der Einfluss der äußeren Magnetfelder hingegen ist vernachlässigbar klein, bzw. stellt ein geringeres Problem dar als die Umgebungstemperatur, weil die äußeren Magnetfelder meist sehr klein oder fast konstant sind.For contactless current measurement two basic concepts are usually used. In the first, less expensive concept (eg DE 36 13 991 A1 and WO 2007/005578 A1 ), the change in the magnetization of the toroidal core is registered by a switching arrangement and used as a measure of the current in the primary circuit. Since the magnetization depends on the magnetic material, the ambient temperature and the external (interfering) magnetic fields, each measuring system should be calibrated separately if high accuracy is required. In addition, the dependence on the ambient temperature is a problem that is solved either by a consuming constant constant ambient temperature or by a calibration. In contrast, the influence of the external magnetic fields is negligibly small, or represents a lesser problem than the ambient temperature, because the external magnetic fields are usually very small or almost constant.
Beim zweiten Konzept (z. B. DE 198 44 729 A1 und WO 2006/093724 A1 ) wird zusätzlich zum Sekundärstrom mittels einer komplexen Schaltanordnung ein sogenannter Pumpstrom durch den Ringkern geleitet und solange verändert bis er die Wirkung des Messstroms im Primärkreis kompensiert. Über den Messwert des Pumpstroms lässt sich der Messstrom im Primärkreis ermitteln.In the second concept (eg DE 198 44 729 A1 and WO 2006/093724 A1 ) In addition to the secondary current by means of a complex switching arrangement, a so-called pumping current is passed through the toroidal core and changed until it compensates for the effect of the measuring current in the primary circuit. The measuring current in the primary circuit can be determined via the measured value of the pumping current.
Das erste Konzept wird auch „open-looped” genannt, wofür in der vorliegenden Beschreibung die Bezeichnung „ohne Kompensation” verwendet wird. Für das zweite Konzept ist die Bezeichnung „closed-looped” bekannt, in der vorliegenden Beschreibung wird die Bezeichnung „mit Kompensation” benutzt.The first concept is also called "open-looped", for which in the present description the term "without compensation" is used. For the second concept, the term "closed-looped" is known, in the present description the term "with compensation" is used.
Bei den Verfahren mit Kompensation spielen die Effekte der Umgebungstemperatur und der äußeren (Stör-)Magnetfelder praktisch keine Rolle. Diese werden durch die Kompensation eliminiert. Der Nachteil dieser Verfahren ist die Notwendigkeit einer aufwendigen Mess- und Kontrollelektronik. Dazu kommt der Bedarf einer höheren Verbrauchleistung im Vergleich mit den Methoden ohne Kompensation, was vor allem durch die Versorgung des Pumpstroms zustande kommt.In the case of compensation methods, the effects of the ambient temperature and of the external (interference) magnetic fields play practically no role. These are eliminated by the compensation. The disadvantage of this method is the need for elaborate measuring and control electronics. In addition there is the need for a higher consumption power in comparison with the methods without compensation, which is mainly due to the supply of the pumping current.
Für die beiden oben erwähnten Verfahren können auch Magnetfeldsensoren (z. B. Hallsensoren) eingesetzt werden, die in einen Schlitz in den Ringkern eingeführt werden. Dabei wird die Reaktion des Magnetfeldsensors als Maß für den Primärstrom genutzt. Der Einsatz von Magnetfeldsensoren weist jedoch insbesondere die Nachteile eines hohen Kostenaufwandes und einer relativ starken Temperaturabhängigkeiten der Magnetfeldsensoren auf.Magnetic field sensors (eg Hall sensors), which are inserted into a slot in the toroidal core, can also be used for the two methods mentioned above. The reaction of the magnetic field sensor is used as a measure of the primary current. However, the use of magnetic field sensors has in particular the disadvantages of a high cost and a relatively strong temperature dependencies of the magnetic field sensors.
Eine potentialfreie Messung des elektrischen Stroms ist wichtig, wenn sich die stromführenden Leiter (Primärkreise) auf einem Hochspannungspotential befinden, z. B. bei Kathoden- und Anodenzuleitungen von Röntgenröhren. Ein anderer Anwendungsfall ist die Strommessung in flüssigen Elektrolyten, wie in Galvanikbädern, in denen eine Strommessung durch Eintauchen der Messelektroden in den Elektrolyt einerseits zu deren Beschädigung durch die chemisch aggressive Umgebung führt. Andererseits wird in Galvanikbädern oft die Bestimmung der Stromdichtenverteilung gefordert. Durch das Eintauchen der Messelektroden in den Elektrolyt werden Eintauchstellen der Messelektroden praktisch elektrisch niederohmig geschlossen, wodurch die elektrischen Eigenschaften des Messobjekts bzw. des Elektrolyts stark beeinflusst werden und der normale Prozess der Elektrolyse beeinträchtigt wird.A potential-free measurement of the electrical current is important when the live conductors (primary circuits) are at a high voltage potential, eg. B. in cathode and anode leads of x-ray tubes. Another application is the current measurement in liquid electrolytes, such as in electroplating baths, in which a current measurement by immersion of the measuring electrodes in the electrolyte on the one hand leads to their damage by the chemically aggressive environment. On the other hand, electroplating baths often require the determination of the current density distribution. By immersing the measuring electrodes in the electrolyte immersion points of the measuring electrodes are practically electrically low-impedance closed, whereby the electrical properties of the measuring object or the electrolyte are greatly affected and the normal process of electrolysis is impaired.
Im Verfahren von DE 11 53 452 B für einen Strommesswandler werden ein weichmagnetischer Ringkern mit einer Primärwicklung für den Messstrom und einer Sekundärwicklung eingesetzt, wobei zusätzlich eine Hilfswicklung benötigt wird, um die Polarität der Stromquelle umzuschalten, wodurch ein System mit Kompensation gebildet wird.In the process of DE 11 53 452 B for a current transducer, a soft magnetic toroid having a primary winding for the sense current and a secondary winding is used, and in addition an auxiliary winding is needed to switch the polarity of the current source, thereby forming a system with compensation.
Bei dem System mit Kompensation von DE 23 00 802 A handelt es sich um eine Schaltanordnung zum potentialfreien Messen von Gleich- und/oder Wechselströmen in Stromkreisen mit hohem Innenwiderstand. Dabei durchflutet der zu messende Strom einen geschlossen Kern aus magnetisch sättigbarem Material. Der Ringkern wird mittels einer Sekundärwicklung und einer ansteuerbaren Wechselstromquelle mit zeitabhängig linear ansteigendem oder abfallendem Pumpstrom gleichmäßig abwechselnd in beiden Sättigungsrichtungen ausgesteuert. Wird der Primärkreis mit einem Messstrom durchflutet, wird infolge die magnetische Sättigung in den beiden Richtungen des Pumpstroms unterschiedlich. Die Aufgabe der Schalteinrichtung ist es, aus diesem Unterschied mittels einer Zusatzwicklung ein Ansteuersignal so auszubilden, dass der dreieckförmige Erregerstrom seine Steigerungsrichtung umkehrt. Anhand weiterer aufwendiger Module entsteht dann schließlich als Ergebnis des Prozesses ein Signal, dass dem Messstrom proportional ist. Es handelt sich um eine Schaltvorrichtung, durch die die Zeitpunkte des Erreichens symmetrisch zu Null liegender Sättigungswerte des Kerns ermittelt werden, wobei zu diesen Zeitpunkten die Stromquelle umgesteuert wird. Dabei dient der zeitliche Mittelwert des Pumpstroms als Maßstab für den zu messenden Strom.In the system with compensation of DE 23 00 802 A it is a circuit arrangement for floating measurement of DC and / or AC currents in circuits with high internal resistance. The current to be measured flows through a closed core of magnetically saturable material. The toroidal core is controlled by means of a secondary winding and a controllable alternating current source with time-dependent linearly increasing or decreasing pumping current uniformly alternately in both saturation directions. If the primary circuit is flooded with a measuring current, as a result of the magnetic saturation in the two directions of the pumping current is different. The object of the switching device is to form from this difference by means of an additional winding a drive signal so that the triangular excitation current reverses its direction of increase. Finally, as a result of the process, a signal that is proportional to the measuring current is produced on the basis of further complicated modules. It is a switching device by which the times of reaching symmetrical to zero saturation values of the core are determined, at which time the current source is reversed. The time average of the pumping current serves as a yardstick for the current to be measured.
Auch bei DE 24 42 223 B2 , das auf dem Kompensationsprinzip basiert, werden die Primär- und Sekundärspulen um einen weichmagnetischen Kern gewickelt, wobei die Sekundärspule mit einem wechselnden Pumpsignal beaufschlagt wird. Das Pump- und Antwortsignal aus der Sekundärwicklung werden an die beiden Eingänge einer Mutiplikationsstufe angelegt. Der Ausgang der Mutiplikationsstufe wird über einen Integrator und ein Regelgerät der Sekundärwicklung zurückgespeist. Der Ausgangsstrom des Regelgeräts soll ein Maß für den Strom in der Primärspule sein. Die aufwendige Schaltung hat die Aufgabe, ständig für ein Gleichgewicht zu sorgen und die Symmetrie der Magnetisierungskurve zu erhalten.Also at DE 24 42 223 B2 Based on the compensation principle, the primary and secondary coils are wound around a soft magnetic core, wherein the secondary coil is supplied with a changing pump signal. The pump and response signal from the secondary winding are applied to the two inputs of a mutiplication stage. The output of the multiplication stage is fed back via an integrator and a secondary winding control device. The output current of the controller should be a measure of the current in the primary coil. The complex circuit has the task to constantly provide balance and to obtain the symmetry of the magnetization curve.
Der Gleichstrommesswandler von DE 22 28 867 C3 mit Kompensationsprinzip, besteht aus einem magnetisierbaren Ringkern, auf dem eine von dem zu messenden Gleichstrom durchflossene Primärwicklung und eine mit Wechselspannungshalbwellen beaufschlagte Sekundärwicklung angeordnet sind. Dabei wird mittels eines Wechselstromgenerators und einer Diode in der Sekundärwicklung ein Halbwellenstrom erzeugt. Dabei werden eine dem Primärstrom entsprechende und die sich einstellende automatische Flusskompensation im Sekundärstromkreis mithilfe von dem o. g. fließenden rechteckförmigen Halbwellenstrom erzeugt und als Maßstab für den Messstrom angezeigt.The DC-DC converter from DE 22 28 867 C3 Compensating principle, consists of a magnetizable toroidal core, on which a primary winding through which the direct current to be measured flows and a secondary winding which is subjected to alternating half-waves are arranged. In this case, a half-wave current is generated by means of an alternator and a diode in the secondary winding. In this case, a corresponding to the primary current and the self-adjusting automatic flow compensation in the secondary circuit using the above-mentioned flowing rectangular half-wave current generated and displayed as a measure of the measuring current.
In DE 36 13 991 A1 wird ein Gleichstrommesswandler mit einem magnetisierbaren Ringkern samt Primär- und Sekundärwicklung vorgeschlagen, der die vom Messstrom bewirkte Symmetrieabweichung der Magnetisierungskennlinie in einem den Messstrom umschließenden ferromagnetischen Kern in ein dem Messstrom proportionales Tastverhältnis umwandelt. Das Verfahren mit Kompensation benutzt die Punkte maximaler Steilheit der Magnetisierungskennlinie, die bei Verwendung eines geeigneten Magnetmaterials sehr nahe beieinander liegen (kleine Koerzivität).In DE 36 13 991 A1 a direct current measuring transducer with a magnetizable toroidal core together with primary and secondary winding is proposed, which converts the symmetry deviation of the magnetization characteristic curve caused by the measuring current in a ferromagnetic core enclosing the measuring current into a pulse duty factor proportional to the measuring current. The method with compensation uses the points of maximum steepness of the magnetization characteristic, which are very close to one another when using a suitable magnetic material (small coercivity).
DE 27 56 873 A1 betrifft ein Verfahren zur Messung der Stromstärke eines fließenden Mediums, wie Elektronen oder Ionen in Niederdruckgehäusen. Dabei wird ein magnetisierbarer Kern mit einer Spule eingesetzt, die mit Rechteckimpulsen beaufschlagt wird. Das fließende Medium fließt zwischen wenigstens zwei in Abstand voneinander angeordneten Elektroden hindurch. Zur Messung der Stromstärke des fließenden Mediums ist eine Messschaltung mit den Elektroden verbunden, welche ein Signal erzeugt, das der zu messenden Stromstärke entspricht. Die Permeabilität des Spulenkerns und damit die Magnetisierung sind abhängig von der Temperatur des Magnetkerns. Durch Berücksichtigung der mit einem Sensor am Magnetkern gemessen Temperatur wird der Temperatureinfluss kompensiert. Es handelt sich um ein System ohne Kompensationsprinzip. DE 27 56 873 A1 relates to a method for measuring the current of a flowing medium, such as electrons or ions in low-pressure housings. In this case, a magnetizable core with a coil is used, which is acted upon by rectangular pulses. The flowing medium flows between at least two spaced-apart electrodes. To measure the current strength of the flowing medium, a measuring circuit is connected to the electrodes, which generates a signal that corresponds to the current to be measured. The permeability of the coil core and thus the magnetization are dependent on the temperature of the magnetic core. By taking into account the temperature measured with a sensor on the magnetic core, the influence of temperature is compensated. It is a system without compensation principle.
US 4 278 938 A betrifft eine Strommessvorrichtung mit einem Magnetkern, der neben Wicklungen für den zu messenden Strom zwei Steuerwicklungen trägt, welche mit Gleichstromimpulsen beaufschlagt werden. Diese Impulse treiben den Magnetkern wechselweise in die positive und negative Sättigung. An einer Sensorspule werden Spannungsimpulse abgenommen, deren Polarität und Dauer ein Maß für den zu messenden Strom sind. Es handelt sich um ein System ohne Kompensationsprinzip. US 4,278,938 relates to a current measuring device with a magnetic core, which carries two windings in addition to windings for the current to be measured, which are acted upon by DC pulses. These pulses alternately drive the magnetic core into positive and negative saturation. At a sensor coil voltage pulses are taken off whose polarity and duration are a measure of the current to be measured. It is a system without compensation principle.
In DE 198 44 729 A1 wird ein Stromsensor mit einem Magnetkern vorgeschlagen, auf welchem, wie oben, eine Primär- und eine Sekundärwicklung gewickelt sind. Dabei fließt in die Sekundärwicklung ein sich periodisch ändernder Strom in mindestens eine Richtung der Magnetisierung. Dieser Strom liefert ein für den Messstrom charakteristisches Ausgangssignal. Eine Auswerteeinheit dient der Bestimmung der Pulsbreite des Ausgangssignals. Diese Pulsbreitenbestimmung kann durch Mittelwertbildung oder eine Zeitmessung erfolgen. Die Pulsbreite ist proportional zur Stromstärke und ein Maßstab für den Strom in der Primärwicklung. Es handelt sich um ein System ohne Kompensationsprinzip.In DE 198 44 729 A1 a current sensor is proposed with a magnetic core on which, as above, a primary and a secondary winding are wound. In this case, a periodically changing current flows in at least one direction of the magnetization in the secondary winding. This current provides a characteristic of the measuring current output signal. An evaluation unit is used to determine the pulse width of the output signal. This pulse width determination can be done by averaging or a time measurement. The pulse width is proportional to the current and a measure of the current in the primary winding. It is a system without compensation principle.
DE 100 45 194 A1 betrifft einen Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip mit einem Magnetkern und einer Wicklung, welche von dem zu messenden Strom durchflossen ist. Das Magnetfeld in diesem Magnetkern wird mit einer Flusssonde gemessen, die eine Sensorspule umfasst. Diese Sonde nutzt die extrem nichtlineare und punktsymmetrische Kennlinie seines Kernmaterials, das durch eine Wechselspannung periodisch in beide Richtungen in die Sättigung getrieben wird. Der zu messende magnetische Fluss verursacht eine Unsymmetrie, die ausgewertet wird. Aus drei denkbaren Auswertungsmethoden wird dann eine Zeitdifferenzmessung bei Vorgabe einer Rechteckspannung gewählt. Dabei zeigt sich die Unsymmetrie durch die Zeitabschnitte im positiven und negativen Spannungsbereich. Die Differenz dieser beiden Zeitwerte ist ein Maß für den zu messenden Strom. DE 100 45 194 A1 relates to a current sensor according to the compensation principle with a magnetic core and a winding, which is traversed by the current to be measured. The magnetic field in this magnetic core is measured with a flow probe comprising a sensor coil. This probe uses the extremely non-linear and point-symmetric characteristic of its nuclear material, which is periodically driven into saturation by an AC voltage in both directions. The magnetic flux to be measured causes an imbalance, which is evaluated. From three conceivable evaluation methods, a time difference measurement is then selected when specifying a square-wave voltage. This shows the imbalance through the time periods in the positive and negative voltage range. The difference between these two time values is a measure of the current to be measured.
Im Verfahren von WO 2006/093724 A1 werden ähnliche Bedingungen für den magnetischen Ringkern und die Primär- und Sekundärspule gestellt, wie in den vorangegangen beschriebenen Patenten. Der Primärstrom beeinflusst bzw. ändert die magnetischen Eigenschaften (insbesondere die Hysterese) des Ringkerns. Infolgedessen wird die Amplitude des induzierten Signals in der Sekundärspule verändert. Dabei ist die Änderung dieser Amplitude ein Maß für die Größe des Primärstroms. Es handelt sich um ein System ohne Kompensationsprinzip. In the process of WO 2006/093724 A1 Similar conditions are set for the magnetic toroidal core and the primary and secondary coils as in the previously described patents. The primary current influences or alters the magnetic properties (in particular the hysteresis) of the toroidal core. As a result, the amplitude of the induced signal in the secondary coil is changed. The change of this amplitude is a measure of the size of the primary current. It is a system without compensation principle.
In EP 1 610 133 B1 wird ein Messgerät für Wechsel- und Gleichströme vorgeschlagen. Es weist einen magnetischen Kern auf, durch den ein Leiter geführt ist, der den zu messenden Strom trägt. Eine Wicklung, die um den magnetischen Kern gelegt ist, ist über eine H-Brücke an zwei Spannungsquellen angeschlossen. Mit diesen Spannungsquellen werden zwei gegenphasige Rechtecksignale erzeugt, welche den Magnetkern abwechselnd sättigen. Die Signale haben einen Rechteckverlauf. Zudem ist ein elektrischer Widerstand seriell mit der Wicklung verbunden, dessen rechteckiges Signal ständig abgetastet wird. Der zu messenden Strom des Leiters beeinflusst die Symmetrie des abgetasteten Signals, indem die Amplituden der oberen und unteren Halbperiode ungleich werden. Durch die Messung der Stärke dieser Unsymmetrie lässt sich der Strom im Leiter zu ermitteln. Es handelt sich um ein System ohne Kompensationsprinzip.In EP 1 610 133 B1 a measuring device for alternating and direct currents is proposed. It has a magnetic core, through which a conductor is guided, which carries the current to be measured. A winding, which is placed around the magnetic core, is connected to two voltage sources via an H-bridge. With these voltage sources two antiphase rectangular signals are generated, which saturate the magnetic core alternately. The signals have a rectangular course. In addition, an electrical resistor is connected in series with the winding whose rectangular signal is constantly sampled. The conductor current to be measured affects the symmetry of the sampled signal by making the amplitudes of the upper and lower half-periods unequal. By measuring the strength of this imbalance, the current in the conductor can be determined. It is a system without compensation principle.
Das Verfahren von WO 2007/005578 A1 ist eine Weiterentwicklung von WO 2006/093724 A1 . Es basisiert darauf, dass sich die magnetischen Eigenschaften eines Ringkerns in Abhängigkeit vom Strom ändern, der durch den um den Ring gewickelten Draht (Spule) fließt. Durch die magnetischen Sättigungseffekte ändert sich die Induktivität der Spule, welche abgetastet und als Maßstab für den zu messenden Strom verwendet wird. Es handelt sich um ein System mit Kompensation.The procedure of WO 2007/005578 A1 is an evolution of WO 2006/093724 A1 , It is based on that the magnetic properties of a toroidal core change depending on the current flowing through the wire (coil) wound around the ring. The magnetic saturation effects change the inductance of the coil, which is sampled and used as a measure of the current to be measured. It is a system with compensation.
Der Stromsensor nach WO 2008/022231 A2 besteht aus einem Übertrager (aus einer Primärspule, einer Sekundärspule und einem Ringkern) und einer elektronischen Schaltung. Die Schaltung dient der Abtastung der Impedanz der Sekundärspule. Die Sekundärimpedanz ändert sich mit dem Primärstrom und wird zur Ermittlung des Primärstroms verwendet. Die Sekundärimpedanz wird durch die Messung der zeitlichen Verzögerungen im Sekundärstrom bestimmt, wobei eine Spannung an der Sekundärwicklung angelegt und deren Antwort wiederum in die Sekundärwicklung rückgespeist wird. Durch diese Rückkopplung entsteht eine Oszillation, durch die sich der Primärstrom bestimmen lässt.The current sensor after WO 2008/022231 A2 consists of a transformer (consisting of a primary coil, a secondary coil and a toroidal core) and an electronic circuit. The circuit is used to sample the impedance of the secondary coil. The secondary impedance changes with the primary current and is used to determine the primary current. The secondary impedance is determined by measuring the time delays in the secondary current, with a voltage being applied to the secondary winding and its response being fed back to the secondary winding. This feedback creates an oscillation that allows the primary current to be determined.
Zur berührungslosen Strommessung sind, wie oben beschrieben, verschienartige Konzepte unter Anwendung von magnetischen Ringkernen und Spulenwicklungen vorgeschlagen. Den bekannten Verfahren nach dem Gattungsbegriff haftet ein charakteristischer Mangel an: Sie benötigen komplizierte und aufwendige Kontroll- und Auswerteelektroniken. Für bestimmte Anwendungen werden kleine Stromsensoren gefordert, deren Zuverlässigkeit nicht beeinträchtigt werden darf. Die Konzepte mit Kompensation hingegen bieten zwar hohe Zuverlässigkeit, deren hoher Leistungsverbrauch, bedingt durch den Pumpstrom im Sekundärkreis, schränkt jedoch einen mobilen, batteriebetriebenen Einsatz ein.For non-contact current measurement, as described above, various concepts using magnetic toroidal cores and coil windings have been proposed. The known method according to the generic term adheres to a characteristic defect: they require complicated and complex control and evaluation electronics. For certain applications, small current sensors are required whose reliability must not be impaired. Although the concepts with compensation offer high reliability, their high power consumption, due to the pumping current in the secondary circuit, but limits a mobile, battery-powered use.
Erfindunginvention
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur berührungslosen Strommessung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur berührungslosen Strommessung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4. Eine solche Anordnung und ein solches Verfahren sind aus der EP 1 610 133 B1 bekannt. Die erfindungsgemäße Anordnung, bzw. ein entsprechendes Verfahren, soll sich unter anderem für den Einsatz in Galvanikbädern eignen.The present invention relates to an arrangement for contactless current measurement according to the preamble of claim 1, and a method for non-contact current measurement according to the preamble of claim 4. Such an arrangement and such a method are known from EP 1 610 133 B1 known. The arrangement according to the invention, or a corresponding method, should be suitable, inter alia, for use in electroplating baths.
Zwar sind bisher einige Verfahren zur Messung der Stromdichtenverteilung in Elektrolytbädern vorgeschlagen worden, deren fehlende Praktikabilität jedoch der industriellen Anwendung im Wege steht.Although some methods for measuring the current density distribution in electrolytic baths have been proposed, their lack of practicality stands in the way of industrial application.
In US 2802 182 A wird das Prinzip des Anlegewandlers oder der Stromzange genutzt. Die Spannung des Galvanikbads muss hier eine Wechselspannung sein, was eine industrielle Anwendung praktisch verhindert.In US Pat. No. 2,802,182 A the principle of the Anlewandlers or the current clamp is used. The voltage of the electroplating bath must here be an alternating voltage, which practically prevents an industrial application.
In DE 29 817 052 U1 wird zur Messung lokaler Stromdichten eine stabförmige Sonde vorgeschlagen. In ihre Spitze sind zwei parallel zueinander angeordnete ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFET) integriert. Da den Ionen prinzipiell alle beliebigen Stromlinien zu den Spitzen zur Verfügung stehen, ist eine Messung der Stromdichtenverteilung in ausreichender Güte nicht realistisch. Es sind deshalb auch keine industriellen Einsätze bekannt.In DE 29 817 052 U1 For measuring local current densities, a rod-shaped probe is proposed. In their tip two parallel arranged ion-sensitive field effect transistors (ISFET) are integrated. Since the ions are in principle available any current lines to the tips, a measurement of the current density distribution in sufficient quality is not realistic. There are therefore no industrial uses known.
In DE 36 31 476 A1 wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die aus einer ringförmigen magnetischen Sonde besteht. Deren Ebene ist im Wesentlichen senkrecht zu den zu messenden Stromlinien angeordnet. Die Sonde weist einen Luftspalt auf, in dem ein Magnetfeldsensor angeordnet ist. Hier liegt die Problematik in der fehlenden Unterdrückung der in der industriellen Praxis auftretenden Rauschsignale und thermischen Instabilitäten, auch hiervon ist kein industrieller Einsatz bekannt.In DE 36 31 476 A1 a device is proposed which consists of an annular magnetic probe. Their plane is arranged substantially perpendicular to the streamlines to be measured. The probe has an air gap in which a magnetic field sensor is arranged. Here, the problem lies in the lack of suppression of the noise signals and thermal instabilities occurring in industrial practice, and even this is not known industrial use.
In DE 20 2007 015 737 U1 wird ein kommerzieller Stromsensor zur Messung der Ionenströme verwendet, in dem ein Magnetfeldsensor integriert ist. Zur Reduzierung der Rauschsignale und der thermischen Instabilitäten wird die konstante Spannung des Galvanikbads mit einem bekannten sinusförmigen Signal moduliert, was, aus ähnlichen Gründen wie bei US 2 802 182 A eine industrielle Anwendung verhindert.In DE 20 2007 015 737 U1 For example, a commercial current sensor is used for measuring the ion currents, in which a magnetic field sensor is integrated. To reduce the noise signals and the thermal instabilities, the constant voltage of the electroplating bath is modulated with a known sinusoidal signal, which, for reasons similar to US 2,802,182 A prevents an industrial application.
In DE 20 2008 011 363 U1 wird eine Sonde zur Messung der Stromdichte in einem Galvanikbad vorgeschlagen, Hier wird ein kommerzieller Stromsensor, wie bei DE 20 2007 015 737 U1 , zur Messung der Ionenströme eingesetzt. Die Ionenströme durchfluten hier das Sensorloch. Das Sensorloch wird sequenziell geschlossen und wieder geöffnet, und folglich werden die Ionenströme durch dieses Sensorloch sequenziell gesperrt und durchlässig. Durch die Differenz der Messungen bei geöffnetem und geschlossenem Sensorloch kann der Einfluss der Hintergrundsignale und Temperatureffekte eliminiert werden. Auch hier ist der Einsatz einer kompakten mechanischen Vorrichtung zum periodischen Schließen und Öffnen des Sensorlochs sehr aufwändig.In DE 20 2008 011 363 U1 For example, a probe for measuring the current density in a plating bath is proposed. Here, a commercial current sensor such as DE 20 2007 015 737 U1 , used for measuring the ion currents. The ion currents flow through the sensor hole here. The sensor hole is sequentially closed and reopened, and thus the ion currents through this sensor hole become sequentially blocked and transmissive. The difference in measurements with the sensor hole open and closed eliminates the influence of background signals and temperature effects. Again, the use of a compact mechanical device for periodically closing and opening the sensor hole is very expensive.
Die vorliegende Erfindung ist für eine Anordnung gekennzeichnet durch die Merkmale im Anspruch 1 und für ein Verfahren durch die Merkmale im Anspruch 4. Damit wird ein Stromsensor ermöglicht zum potentialfreien Messen von Gleich- und Wechselströmen in Stromkreisen, ausgestattet mit einem weichmagnetisierbaren Ringkern, einer Primärwicklung für den Messstrom, einer mit einer recheckigen Wechselspannung beaufschlagten Sekundärwicklung und einer elektronischen Erfassungseinheit, welche eine Wechselspannung bereitstellt und deren Ausgang als Maßstab für den Messstrom dient. Der Messkopf enthält den mit der Sekundärspule umgewickelten Ringkern, dessen Loch vom Primär- bzw. Messstrom durchflutet wird. Der Messstab besteht aus dem Messkopf und seine Halterung ist mit einem gegen die chemisch aggressive Umgebung resistenten Material beschichtet, so dass keine Flüssigkeit in den Messkopf eindringt. Durch die Halterung des Messstabs wird die gesamte Kabelverbindung zur elektronischen Erfassungseinheit geführt.The present invention is for an arrangement characterized by the features in claim 1 and a method by the features in claim 4. Thus, a current sensor is provided for floating measurement of DC and AC currents in circuits, equipped with a soft magnetizable toroidal core, a primary winding for the measuring current, a secondary winding which is supplied with a rectangular AC voltage and an electronic detection unit which provides an alternating voltage and whose output serves as a scale for the measuring current. The measuring head contains the toroidal core wrapped with the secondary coil, whose hole is flooded by the primary or measuring current. The dipstick consists of the measuring head and its holder is coated with a material resistant to the chemically aggressive environment, so that no liquid penetrates into the measuring head. By holding the measuring rod, the entire cable connection is led to the electronic detection unit.
In der vorliegenden Erfindung wird zur Reduzierung des Schaltungsaufwand ein neues Verfahren für die Ermittlung und die Messung des durch einen Messstrom verursachten Ungleichgewichts der magnetischen Sättigung des Ringkerns vorgeschlagen.In the present invention, a new method for detecting and measuring the imbalance of the magnetic saturation of the toroidal core caused by a measurement current is proposed for the reduction of circuit complexity.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsformen und anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:The invention will be explained below in embodiments and with reference to the following drawings. Showing:
1 Schematische Abbildung des Messkopfs, die Auswerte- und Erfassungseinheit 1 Schematic illustration of the measuring head, the evaluation and detection unit
2 Verlauf des Sekundärsignals und der Mittelabgriffsspannung 2 Course of the secondary signal and the center tap voltage
3 Eine Ausführungseinrichtung und deren schematische Schaltanordnung 3 An embodiment device and its schematic circuit arrangement
4 Eine Periode der Spannung am Mittelabgriff M1, wenn der Primärstrom in Richtung des Stroms der oberen Halbperiode fließt 4 A period of the voltage at the center tap M 1 when the primary current flows in the direction of the current of the upper half-period
5 Die Signale UK1 und UK2 als Funktion der Zeit 5 The signals U K1 and U K2 as a function of time
6 Der Algorithmus und die Abläufe der Interrupt-Service-Routinen 6 The algorithm and the operations of the interrupt service routines
7 Die Prozessabläufe der Auswerteeinheit 7 The process flows of the evaluation unit
8 Messstab zum Einsatz in Galvanikbädern 8th Dipstick for use in electroplating baths
In 1 wird die Schematische Abbildung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung aus einem Messkopf (1), einer Auswerteeinheit (2) und einer Erfassungseinheit (3) gezeigt. Der Messkopf (1) besteht aus dem Ringkern (4), der Primärwicklung (5) und Sekundärwicklung (6). Die Erfassungseinheit (3), wie in 1 dargestellt, wechselwirkt mit den Modulen (1) und (2). Die Auswerteeinheit (2), wie unten genauer beschrieben, sendet zwei gegenphasige (inverse) Signale, zur Erfassungseinheit (3), welche den Messkopf (1) mit einem Wechselstrom durchflutet, welcher den Ringkern (4) in magnetische Sättigung treibt. Durchflutet ein Primärstrom den Ringkern, beeinflusst dieser die magnetische Sättigung, was von der Auswerteeinheit (2) erkannt und als Maß für den Primär- bzw. des zu messenden Stroms vom Anzeigemodul (7) ausgegeben wird. Die temperaturabhängigen Einflüsse auf die Magnetisierung lassen sich durch einen Temperatursensor (9) und eine Temperaturmesseinheit (8) durch ein Abgleichverfahren in der Auswerteeinheit (2) eliminieren.In 1 the schematic of the device of the present invention is made from a measuring head ( 1 ), an evaluation unit ( 2 ) and a registration unit ( 3 ). The measuring head ( 1 ) consists of the toroidal core ( 4 ), the primary winding ( 5 ) and secondary winding ( 6 ). The registration unit ( 3 ), as in 1 displayed interacts with the modules ( 1 ) and ( 2 ). The evaluation unit ( 2 ), as described in more detail below, sends two in-phase (inverse) signals to the acquisition unit (FIG. 3 ), which the measuring head ( 1 ) is flooded with an alternating current, which the toroid ( 4 ) drives into magnetic saturation. If a primary current flows through the toroidal core, this influences the magnetic saturation, which is caused by the evaluation unit ( 2 ) and as a measure of the primary or the measured current from the display module ( 7 ) is output. The temperature-dependent influences on the magnetization can be determined by a temperature sensor ( 9 ) and a temperature measuring unit ( 8th ) by a matching procedure in the evaluation unit ( 2 ) eliminate.
Wird vor die Sekundärspule ein Widerstand R geschaltet, so ergibt sich ein Spannungsteiler, an dessen Mittelabgriff M die induzierte Spannung UM beobachtet werden kann (s. 2a). Wird der Ringkern (4) mit dem Signal USig aufgrund der wechselnden Richtung des Sekundärstroms magnetisiert, ändert sich auch die Mittelabgriffsspannung UM, wobei UM nicht die gleiche Form von USig (vergl. 2b und 2c) haben muss. UM ist stark abhängig von der Permeabilität des Ringkerns, die sich beim Verlauf des Rechtecksignals der Sekundärspule wegen des Auftritts von magnetischer Sättigung ändert. Zudem wird, bei einem Pegelwechsel, die in der Spule gespeicherte Energie in Form von elektrischem Strom freigesetzt, was in dem Verlauf von UM zum Erscheinen von schmalen Spitzen (Spikes) führt (s. 2c). Am Ende einer Halbperiode des Signals kann, abhängig von der Signalfrequenz, Ringkerntemperatur Θ und dem äußerem Magnetfeld, eine Sättigung der Ringmagnetisierung auftreten, was zum Verschwinden der Permeabilität und starken Abfall von UM führt (s. 2c). Durchflutet ein Primärstrom das Ringloch, hat das vom Primärstrom erzeugte Magnetfeld einen Einfluss auf die Ringmagnetisierung. Fließen der Primär- und Sekundärstrom in gleichen Richtungen durch das Ringloch, wird die Sättigung früher erreicht, die betroffene Halbperiode von UM bekommt einen flacheren ”Sattel” und wird deshalb kürzer. Sind der Primär- und Sekundärstrom in gegensätzlichen Richtungen, wird die betroffene Halbperiode von UM länger.If a resistor R is connected in front of the secondary coil, the result is a voltage divider, at whose center tap M the induced voltage U M can be observed (see FIG. 2a ). Will the toroidal core ( 4 ) is magnetized with the signal U Sig due to the alternating direction of the secondary current, the center tap voltage U M also changes , where U M does not have the same form of U sig (cf. 2 B and 2c ) must have. U M is strongly dependent on the permeability of the toroid, which changes in the course of the square wave signal of the secondary coil due to the occurrence of magnetic saturation. In addition, at a level change, the energy stored in the coil is released in the form of electric current, which in the course of U M leads to the appearance of narrow spikes (s. 2c ). At the end of a half period of the signal, depending on the signal frequency, ring core temperature Θ and the external magnetic field, a saturation of the Ring magnetization occur, which leads to the disappearance of permeability and heavy drop of U M (s. 2c ). If a primary current flows through the ring hole, the magnetic field generated by the primary current has an influence on the ring magnetization. Flow of the primary and secondary current in the same directions through the ring hole, the saturation is reached earlier, the affected half cycle of U M gets a flatter "saddle" and is therefore shorter. If the primary and secondary currents are in opposite directions, the affected half-period of U M becomes longer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zeitdauer zum Erreichen der Sättigung der Magnetisierung als Maßstab zur Ermittlung des Primär- bzw. des Messstroms zu nützen. Dabei wird der Unterschied Δt der Zeitdauer t1 der oberen Halbperiode und der Zeitdauer t2 der unteren Halbperiode zum Erreichen der Sättigung der Magnetisierung in zwei benachbarten Halbperioden des Signals USig unmittelbar, d. h. mit einem Zähler gemessen. Der Unterschied der Zeitdauer (Δt = t1 – t2) wird (Ansprüche 1 und 4) dann mithilfe eines Kenn- bzw. Kalibrierfeldes in Strom umgewandelt.The invention has for its object to use the time to reach the saturation of the magnetization as a yardstick for determining the primary or the measuring current. In this case, the difference .DELTA.t the time t 1 of the upper half-period and the time t 2 of the lower half-period to reach the saturation of the magnetization in two adjacent half periods of the signal U Sig is measured directly, ie with a counter. The difference of the time duration (Δt = t 1 -t 2 ) is then converted into current (claims 1 and 4) by means of a characteristic or calibration field.
Eine Auswerteeinheit im Sinne der Erfindung kann zum Beispiel ein Mikroprozessor sein. Eine Auswerteeinheit im Sinne der Erfindung kann jedoch auch ein verteiltes System mit mehreren räumlich getrennten Komponenten sein. Der Einsatz eines Mikroprozessors, nebst Software und digitalen Komponenten ermöglicht einen wirtschaftlichen Entwicklungsprozess und weniger Aufwand bei nachfolgenden Systemerweiterungen.An evaluation unit in the sense of the invention can be, for example, a microprocessor. However, an evaluation unit in the sense of the invention can also be a distributed system with several spatially separated components. The use of a microprocessor, along with software and digital components, enables an economic development process and less effort in subsequent system extensions.
Eine Erfassungseinheit mit einer einpoligen Betriebsspannung, ermöglicht die Realisierung eines kompakten, kostengünstigen und verlustarmen Messsystems für mobile Einsätze ermöglicht.A detection unit with a single-pole operating voltage, allows the realization of a compact, low-cost and low-loss measurement system for mobile applications allows.
3 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltanordnung. Die Schaltanordnung weist eine Erfassungseinheit, mit dem Bezugzeichen (3), und eine Auswerteeinheit, vorzugsweise als Mikroprozessor, mit dem Bezugzeichen (2) auf. Die ganze Schaltung wird mit einer einpoligen Betriebsspannung versorgt, um, wie oben erwähnt, ein kompaktes, kostengünstiges und verlustarmes Messsystem zu realisieren. Ausgang A1 der Auswerteeinheit (2) sendet das elektrische Rechtecksignal S1, und Ausgang A2 sendet (Anspruch 3) das gegenphasige, d. h. inverse elektrische Rechtecksignal S2, so dass die beiden Signale nie gleichzeitig. den positiven Pegel haben. Nach der Leistungsverstärkung (Anspruch 3) durch die Treiber T1 und T2 und den Spannungsteilungen durch R1||R3 und R2||R4, wobei R1 = R2 und R3 = R4, fließen die Ströme aus den Signalen UM1 und UM2 wechselhaft durch die Sekundärspule (6). Zwar kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung auch mit den Bedingungen R1 ≠ R2 und R3 ≠ R4 verwendet werden. Die Bedingungen R1 = R2 und R3 = R4 ermöglichen eine günstige symmetrische Auslegung und eine vorteilhafte Signalauswertung. Die Werte der Widerstände R1, R2, R3 und R4 sollten klein bemessen sein, damit genügend Strom in der Sekundärspule (6) zur Sättigung deren Ringkern (4) fließen kann. Das Schaltungskonzept der vorliegenden Erfindung (Anspruch 8) sorgt dafür, dass eine Betriebsspannung Uc für den Schaltkreis ausreicht. Der elektrische Strom fließt mit wechselnder Richtung durch die Sekundärspule (6). Da der ohmsche Widerstand der Sekundärspule annähernd Null ist, liegen die Spannungen UM1 und UM2 an den Mittelabgriffen M1 bzw. M2 mit einer Wechselspannung zwischen annähernd Ut = 0,5 UcR1/(R1 + R3) und Uh = 0,5 Uc (R1 + 2R3)/(R1 + R3). Bei der Konstruktion der Sekundärspule (6) und Auswahl deren Parameter ist darauf zu achten, dass der magnetisierbare Ringkern (4) bei jedem Richtungswechsel des Sekundärstroms die Sättigung erreichen muss, so dass die Signale UM1 und UM2 die Kurvenformen in 4b und 4d erhalten. 3 shows an embodiment of a switching arrangement. The switching arrangement has a detection unit, with the reference symbol ( 3 ), and an evaluation unit, preferably as a microprocessor, with the reference number ( 2 ) on. The whole circuit is supplied with a single-pole operating voltage in order to realize, as mentioned above, a compact, inexpensive and low-loss measuring system. Output A1 of the evaluation unit ( 2 ) sends the electrical square wave signal S1, and output A2 sends (claim 3) the antiphase, ie inverse square electric signal S2, so that the two signals never at the same time. have the positive level. After the power amplification (claim 3) by the drivers T1 and T2 and the voltage divisions by R 1 || R 3 and R 2 || R 4 , where R 1 = R 2 and R 3 = R 4 , the currents flow from the signals U M1 and U M2 changeable through the secondary coil ( 6 ). Although the process of the present invention can also be used with the conditions R 1 ≠ R 2 and R 3 ≠ R 4 . The conditions R 1 = R 2 and R 3 = R 4 allow a favorable symmetrical design and an advantageous signal evaluation. The values of the resistors R 1 , R 2 , R 3 and R 4 should be small enough to allow enough current in the secondary coil ( 6 ) to saturate the toroidal core ( 4 ) can flow. The circuit concept of the present invention (claim 8) ensures that an operating voltage U c is sufficient for the circuit. The electrical current flows with alternating direction through the secondary coil ( 6 ). Since the ohmic resistance of the secondary coil is approximately zero, the voltages U M1 and U M2 are at the center taps M 1 and M 2 with an alternating voltage between approximately U t = 0.5 U c R 1 / (R 1 + R 3 ) and U h = 0.5 U c (R 1 + 2R 3 ) / (R 1 + R 3 ). In the construction of the secondary coil ( 6 ) and selection of their parameters, it must be ensured that the magnetizable ring core ( 4 ) must reach saturation at each change of direction of the secondary current, so that the signals U M1 and U M2, the waveforms in 4b and 4d receive.
Wie oben erläutert wird der Unterschied Δt der Zeitdauer t1 der oberen Halbperiode und der Zeitdauer t2 der unteren Halbperiode zum Erreichen der Sättigung der Magnetisierung in zwei benachbarten Halbperioden als Maß für den Primärstrom verwendet. 4a und 4b zeigen eine Periode des Signals 51 (mit der Periode tS) bzw. der Spannung UM1 am Mittelabgriff M1 als Funktion der Zeit. 4c und 4d zeigen eine Periode des Signals S2 (mit der Periode tS) bzw. der Spannung UM2 am Mittelabgriff M2. Angenommen, dass der Primärstrom in Richtung des Stroms der oberen Halbperiode von S1 fließt, soll die Zeitdauer t1, aufgrund der schnelleren Sättigung des Ringkerns bei der oberen Halbperiode von S1, kürzer als t2 sein, folglich gilt Δt < 0. Fließt der Primärstrom in entgegengesetzter Richtung des Stroms des Signals S1, d. h. in Richtung des Stroms des Signals S2, so wird Δt > 0. Ist der Primärstrom gleich Null, soll Δt = 0 sein.As explained above, the difference At of the time duration t 1 of the upper half period and the time duration t 2 of the lower half period to achieve the saturation magnetization in the two adjacent half-periods is used as a measure of the primary current. 4a and 4b show a period of the signal 51 (with the period t S ) or the voltage U M1 at the center tap M 1 as a function of time. 4c and 4d show a period of the signal S2 (with the period t S) and the voltage U M2 at the center m 2. Assuming that the primary current flows in the direction of the current of the upper half cycle of S1, the time t 1 should be shorter than t 2 , due to the faster saturation of the toroidal core at the upper half period of S1, consequently Δt <0. The primary current flows in the opposite direction of the current of the signal S1, ie in the direction of the current of the signal S2, then Δt> 0. If the primary current is equal to zero, Δt = 0 should be.
Die Erfassungseinheit (3) prüft (Anspruch 4) mittels der Komparatoren K1 und K2 in 3, ob die Mittelabgriffspannungen UM1 und UM2 annähernd Ut oder Uh sind. Als Referenzsignal der Komparatoren wird hierbei (Anspruch 5) vorzugsweise die mittlere Betriebsspannung gewählt, welche zwischen den Ansteuersignalen mithilfe des Spannungsteilers R5||R6, mit R5 = R6, erzeugt und vom Tiefpassfilter mit dem Bezugszeichen (10) geglättet und als Ug den Komparatoren K1 und K2 weitergegeben wird. Zwar kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung auch mit der Bedingung R5 ≠ R6 verwendet werden. Die Bedingungen R5 = R6 ermöglicht eine günstige symmetrische Auslegung und eine vorteilhafte Signalauswertung. Jeder der Komparatoren vergleicht das an seinen Pluseingang liegende Signal mit Ug. K1 und K2 vergleichen UM1 bzw. UM2 mit Ug. UK1, das Ausgangsignal von K1, und UK2, das Ausgangsignal von K2, werden Eingängen E2 und E3 der Auswerteeinheit (2) zur Auswertung (s. u.) geliefert. 5 zeigt die Signale UK1 und UK2 als Funktion der Zeit, die aus 4b bzw. 4d resultieren.The registration unit ( 3 ) checks (claim 4) by means of the comparators K1 and K2 in 3 Whether the center tap voltages U M1 and U M2 are approximately U t or U h . In this case (claim 5), the average operating voltage which is generated between the drive signals by means of the voltage divider R 5 || R 6 , where R 5 = R 6 , and from the low-pass filter by the reference symbol ( 10 ) and passed as U g the comparators K1 and K2. Although the method of the present invention can also be used with the condition R 5 ≠ R 6 . The conditions R 5 = R 6 allows a favorable symmetrical design and an advantageous signal evaluation. Each of the comparators compares the signal at its positive input with U g . K1 and K2 compare U M1 or U M2 with U g . U K1 , the output signal of K1, and U K2 , the output signal of K2, are inputs E2 and E3 of the evaluation unit ( 2 ) for evaluation (see below). 5 shows the signals U K1 and U K2 as a function of time, the off 4b respectively. 4d result.
Die Eingänge E2 und E3 werden dauerhaft jeweils von einem Interuppt (13) bzw. (14) ausgewertet, die jeweils eine Interrupt-Service-Routine (15) bzw. (16) starten. 6a und 6b zeigen die ähnlichen Abläufe der Interrupt-Service-Routinen (15) bzw. (16), deren Ausgaben die Zeitdauer t1 der oberen Halbperiode bzw. die Zeitdauer t2 der unteren Halbperiode der Komparatorausgänge UK1 bzw. UK2 sind. Wird einer der Interrupt-Service-Routinen (15) und (16) gestartet, wird sodann überprüft, ob eine steigende Flanke von UK1 bzw. UK2 vorhanden ist. Wird eine steigende Flanke erkannt, starten Zähler Z1 bzw. Z2 eine Zeitmessung. Wird beim Hochzählen von Z1 bzw. Z2 eine fallende Flanke von UK1 bzw. UK2 erkannt, wird Z1 bzw. Z2 gestoppt und mithilfe seines Zählerwertes und Taktfrequenz die Zeitdauer t1 bzw. t2 ermittelt und gespeichert. Daraufhin werden Zähler Z1 bzw. Z2 initialisiert. Dadurch wird eine unmittelbare Messung der Zeitdauer t1 und t2, durchgeführt. Mit anderen Worten werden die Breiten der Signale UK1 bzw. UK2 bestimmt. in der Praxis entfällt die Umwandlung der Zählerwerte in die Zeit, da diese proportional zueinander sind. Es genügt die Anwendung der Zählerwerte in den weiteren Auswertungsschritten, ohne Umwandlung in die Zeit.The inputs E2 and E3 are each permanently from an interuppt ( 13 ) respectively. ( 14 ), each having an interrupt service routine ( 15 ) respectively. ( 16 ) start. 6a and 6b show the similar processes of the interrupt service routines ( 15 ) respectively. ( 16 ) whose outputs are the time t 1 of the upper half period and the time t 2 of the lower half period of the comparator outputs U K1 and U K2 . If one of the interrupt service routines ( 15 ) and ( 16 ) is started, it is then checked whether a rising edge of U K1 or U K2 is present. If a rising edge is detected, counters Z1 or Z2 start a time measurement. If, when counting up Z1 or Z2, a falling edge of U K1 or U K2 is detected, Z1 or Z2 is stopped and the time duration t 1 or t 2 is determined and stored with the aid of its counter value and clock frequency. Then counter Z1 or Z2 are initialized. As a result, an immediate measurement of the time duration t 1 and t 2 , performed. In other words, the widths of the signals U K1 and U K2 are determined. In practice, the conversion of the counter values into the time, since these are proportional to each other. It is sufficient to use the counter values in the further evaluation steps, without conversion into time.
In 7 sind die Prozessabläufe der Auswerteeinheit (2) dargestellt. Die Oszillatoren mit den Bezugszeichen (11) und (12) erzeugen die Signale S1 und S2, die dann, gemäß 3, zur Erfassungseinheit (3) geleitet werden. Die Ausgänge der Komparatoren K1 und K2 lösen die Interuppts mit den Bezugszeichen (13) bzw. (14) aus, welche dann die Interrupt-Service-Routinen (15) bzw. (16) (s. 6a und 6b) starten. Der Ausgänge t1 von (15) und t2 von (16) werden im Subtrahierer (17) voneinander subtrahiert und das Ergebnis Δt wird in der Kennfeldeinheit (18) in einen elektrischen Stromwert umgewandelt. Dieser ist gleich der Primärstromstärke bzw. der Größe des Messstroms. Der Absolutwert von Δt ist das Maß für die Größe des Primärstroms und das Vorzeichen von Δt repräsentiert die Richtung des Primärstroms.In 7 are the process flows of the evaluation unit ( 2 ). The oscillators with the reference numbers ( 11 ) and ( 12 ) generate the signals S1 and S2, which then, according to 3 , to the registration unit ( 3 ). The outputs of the comparators K1 and K2 solve the interpuppets with the reference numerals ( 13 ) respectively. ( 14 ), which then execute the interrupt service routines ( 15 ) respectively. ( 16 ) (s. 6a and 6b ) start. The outputs t 1 of ( 15 ) and t 2 of ( 16 ) are used in the subtractor ( 17 ) are subtracted from each other and the result .DELTA.t is in the Kennfeldeinheit ( 18 ) is converted into an electric current value. This is equal to the primary current intensity or the size of the measuring current. The absolute value of Δt is the measure of the magnitude of the primary current and the sign of Δt represents the direction of the primary current.
Da die Permeabilität des Ringkerns temperaturabhängig ist, sind auch Δt und folglich der ermittelte Messstrom temperaturabhängig. Deshalb wird eine temperaturabhängige Korrektur notwendig. Wie in 3 dargestellt, wird eine Temperaturmesseinheit (8) eingesetzt, welche (Anspruch 10) einen Temperatursensor (9) enthält, der vorzugsweise in der Nähe des Ringkerns (4) montiert ist. Die der Temperatur proportionale analoge Ausgangsspannung der Temperaturmesseinheit (8) liegt am Eingang E1 der Auswerteeinheit (2) an, welche vom AD-Wandler (19) digitalisiert wird. Bezugszeichen (20) in 7 bezeichnet einen Korrekturblock zur Temperaturkorrektur des Ausgangs der Kennfeldeinheit (18), wobei der Temperaturwert aus (19) verwendet wird. Der Ausgang von Korrekturblock (20) kann durch Ausgang A3 der Auswerteeinheit einem Anzeigemodul mit dem Bezugszeichen (7) ausgegeben werden (s. 3).Since the permeability of the toroidal core is temperature-dependent, also Δt and consequently the determined measuring current are temperature-dependent. Therefore, a temperature-dependent correction is necessary. As in 3 shown, a temperature measuring unit ( 8th ), which (claim 10) a temperature sensor ( 9 ), preferably in the vicinity of the ring core ( 4 ) is mounted. The temperature-proportional analogue output voltage of the temperature measuring unit ( 8th ) is located at the input E1 of the evaluation unit ( 2 ), which from the AD converter ( 19 ) is digitized. Reference number ( 20 ) in 7 denotes a correction block for temperature correction of the output of the chip unit ( 18 ), the temperature value being from ( 19 ) is used. The output of correction block ( 20 ) can by output A3 of the evaluation a display module with the reference numeral ( 7 ) are output (s. 3 ).
Somit ist das oben beschriebene Verfahren der vorliegenden Erfindung ein Verfahren ohne Kompensation. Durch die Temperaturkorrektur wird eine relativ hohe thermische Stabilität garantiert. Wegen Fehlen der für ein System mit Kompensation notwendigen Komponenten wird ein verbrauchsarmes und kompaktes Sensorsystem möglich.Thus, the method of the present invention described above is a method without compensation. The temperature correction guarantees a relatively high thermal stability. Due to the lack of components necessary for a system with compensation, a low-consumption and compact sensor system becomes possible.
In der vorliegenden Erfindung wird durch die unmittelbare Messung der dem Messstrom proportionalen Zeit Δt ein genaues und kompaktes Messsystems ermöglich, das sich unter anderem für die Anwendungen in der Galvanotechnik eignet. 8a und 8b zeigen einen Messstab (21) aus zwei Perspektiven, welcher aus einem Messkopf (1) besteht, welcher gemäß der vorliegenden Erfindung eine Sekundärwicklung (6) um einen magnetisierbaren Ringkern (4), und einen Temperatursensor (9) aufweist. Der zu messende Ionenstrom bzw. Primärstrom durchflutet das Sensorloch (22). Die Halterung (23) dient einer leichteren Handhabung und Positionierung des Messkopfs in einem Galvanikbad, der Leiterführung für die Sekundärwicklung und die Leiter des Temperatursensors. Der Messstab (21) soll vollständig mit einem nicht leitenden Material beschichtet sein. Das nicht leitende Material soll außerdem im chemisch aggressiven Medium des Elektrolytbads sehr beständig sein und sich im Elektrolytbad chemisch neutral verhalten.In the present invention, the immediate measurement of the measuring current proportional time .DELTA.t allows an accurate and compact measuring system, which is suitable, inter alia, for the applications in electroplating. 8a and 8b show a measuring stick ( 21 ) from two perspectives, which consists of a measuring head ( 1 ), which according to the present invention has a secondary winding ( 6 ) around a magnetizable toroidal core ( 4 ), and a temperature sensor ( 9 ) having. The ion current or primary current to be measured flows through the sensor hole ( 22 ). The holder ( 23 ) serves to facilitate handling and positioning of the measuring head in a galvanic bath, the conductor guide for the secondary winding and the conductors of the temperature sensor. The dipstick ( 21 ) should be completely coated with a non-conductive material. The non-conductive material should also be very resistant in the chemically aggressive medium of the electrolyte bath and behave chemically neutral in the electrolyte bath.
Die vorliegende Erfindung gilt auch für ein Verfahren mit Kompensation. Dabei soll der Ringkern zusätzlich mit einem linear mit der Zeit variierenden Signal mit einer Periode viel größer als tS durchflutet werden, bis der Zeitdauerunterschied der oberen und unteren Halbperiode Δt verschwindet. Dieses zusätzliches Signal kann entweder durch eine Zusatzwicklung fließen oder mit den Rechtsignalen S1 und S2 addiert werden. Wenn Δt = 0 ist, wird der zu messende Strom proportional dem Strom des o. g. linearen Signals. Da der Proportionalitätsfaktor bekannt ist, lässt sich der zu messende Strom ermitteln. Bei der Methode mit Kompensation erübrigt sich die Anwendung eines Temperatursensors.The present invention also applies to a method with compensation. In this case, the ring core is additionally flooded with a linearly time-varying signal having a period much larger than t S until the time difference of the upper and lower half-periods Δt disappears. This additional signal can either flow through an additional winding or be added with the legal signals S1 and S2. When Δt = 0, the current to be measured becomes proportional to the current of the above linear signal. Since the proportionality factor is known, the current to be measured can be determined. With the method with compensation, the use of a temperature sensor is unnecessary.
Die Vernetzung mehrerer Messstäbe bzw. Sensoren bei großflächigen Anwendungen reduziert den Kosten- und Personalaufwand. Beispielsweise lassen sich die Messstäbe bzw. Sensoren jedes einzelnen Elektrolytbads in weitläufigen Gavanikbetrieben, in denen mehrere Elektrolytbäder parallel im Einsatz sind, mit Kabel (z. B. per CAN-Bus) oder kabellos (z. B. per Funk), mit einem Zentralsystem vernetzen. Das Zentralsystem umfasst ein komplexes Steuerung- und Kontrollsystem, welches die Messdaten einzelner Messstäbe überwacht und verifiziert, und das ganze vernetze Sensorensystem ansteuert. Für solche Netzkonzepte erübrigen sich die separaten elektronischen Schaltanordnungen einzelner Messstäbe, wie in der Ausführungsform von 3 dargestellt. Das Zentralsystem, ausgestattet mit einer zentralen Erfassungseinheit und einem Rechnersystem, übernimmt die Aufgabe der Erfassungseinheit und Auswerteeinheit jedes einzelnen Messstabs.The networking of several measuring rods or sensors in large-area applications reduces the cost and personnel costs. For example, the dipsticks or sensors of each individual electrolytic bath can be installed in extensive gavanik plants where several electrolytic baths are used in parallel, by cable (eg by CAN bus) or wirelessly (eg by radio), with a central system network. The central system includes a complex control and monitoring system, which monitors and verifies the measurement data of individual dipsticks and drives the entire networked sensor system. For such network concepts, the separate electronic switching arrangements of individual measuring bars are unnecessary, as in the embodiment of FIG 3 shown. The central system, equipped with a central registration unit and a computer system, takes over the task of the registration unit and evaluation unit of each individual measuring rod.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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11
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Messkopfprobe
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22
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Auswerteeinheit, MikroprozessorEvaluation unit, microprocessor
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33
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Erfassungseinheitacquisition unit
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44
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Ringkerntoroidal
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55
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Primärwicklung, IonenstromPrimary winding, ion current
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66
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Sekundärwicklungsecondary winding
-
77
-
Anzeigemoduldisplay module
-
88th
-
TemperaturmesseinheitTemperature measurement unit
-
99
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Temperatursensortemperature sensor
-
1010
-
TiefpassfilterLow Pass Filter
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11, 1211, 12
-
Oszillatoroscillator
-
13, 1413, 14
-
InterupptInteruppt
-
15, 1615, 16
-
Interrupt-Service-RoutineInterrupt service routine
-
1717
-
Subtrahierersubtractor
-
1818
-
KennfeldeinheitMap unit
-
1919
-
AD-WandlerADC
-
2020
-
Korrekturblockcorrection block
-
2121
-
Messstabdipstick
-
2222
-
Sensorlochsensor hole
-
2323
-
Halterungbracket
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Δt.delta.t
-
Zeitdauerunterschied der oberen und unteren HalbperiodeTime difference of upper and lower half period
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A1, A2, A3A1, A2, A3
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Ausgang der AuswerteeinheitOutput of the evaluation unit
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E1, E2, E3E1, E2, E3
-
Eingang der AuswerteeinheitInput of the evaluation unit
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K1, K2K1, K2
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Komparatorcomparator
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M, M1, M2 M, M 1 , M 2
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Mittelabgriffcenter tap
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R, R1, R2, R3, R4, R5, R6 R, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6
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Ohmscher WiderstandOhmic resistance
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S1, S2S1, S2
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Elektrisches RechtecksignalElectric square wave signal
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T1, T2T1, T2
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Treiberdriver
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Uc U c
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Betriebsspannungoperating voltage
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Ug U g
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Referenzspannungreference voltage
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Uh U h
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Obere Grenze der WechselspannungUpper limit of the AC voltage
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UK1, UK2 U K1 , U K2
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Ausgangsignal von KomparatorOutput signal from comparator
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UM, UM2, UM2, U M, U M2, U M2,
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MittelabgriffsspannungMittelabgriffsspannung
-
USig U Sig
-
Elektrisches SignalElectric signal
-
Ut U t
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Untere Grenze der Wechselspannung Zeitdauer der oberen HalbperiodeLower limit of the AC voltage Duration of the upper half-period
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t2 t 2
-
Zeitdauer der unteren HalbperiodeDuration of the lower half period
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ts t s
-
Signalperiodesignal period
-
Z1, Z2Z1, Z2
-
Zählercounter
-
ΘΘ
-
RingkerntemperaturRing core temperature
