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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strommessung in einem Leiter und eine entsprechende Vorrichtung.
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Strommesser, die auf dem Prinzip eines Transformators beruhen, finden in vielen Anlagen zur Verteilung elektrischer Energie Verwendung. Die Nachteile sind vor allem die Prinzip bedingt fehlende DC-Fähigkeit sowie die Signalverzerrung bei der Messung von AC/DC-Mischströmen. Da sich bei der Erzeugung und vor allem auch beim Verbrauch elektrischer Energie zunehmend Gleichstromgeräte etablieren, wird elektrische Energie heute zu einem großen Teil von Gleich- in Wechselspannung und anschließend wieder von Wechsel- in Gleichspannung gewandelt. Dies hat zur Folge, dass bei einer Störung oder Fehlfunktion häufig Gleichstromanteile mit über das Wechselstromnetz fließen. Darüber hinaus treten z.B. bei langen Freileitungen, abhängig von den Umweltbedingungen – zusätzlich zu den Wechselströmen – Gleichströme auf. Auch in Gebäuden die z.B. mit Photovoltaikanlagen (auch bezeichnet als PV-Anlagen) ausgestattet sind, können DC-Ableitströme zur Fehlfunktion von Schalt- und Schutzeinrichtungen führen.
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Somit kommt bei vielen Schutzfunktionen dem Erfassen von überlagerten Gleichströmen eine wachsende Bedeutung zu. Die Gleichströme sind zwar in der Regel geringer als die Wechselströme, führen jedoch an den Netztransformatoren zu stark erhöhten Verlusten und Oberwellen. Vor allem bei größeren Gleichstromanlagen, z.B. PV-Anlagen, ist damit die Messung der DC-Ableitströme von Bedeutung. Besonders vorteilhaft wäre ein DC-fähiges Messsystem mit hoher Genauigkeit, das sich in der Bauform nur geringfügig von den üblichen – auf dem Prinzip des Transformators beruhenden – Stromsensoren unterscheidet.
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Sensoren setzen prinzipiell eine physikalische Größe, z.B. Temperatur, Druck, Position, Magnetfeldstärke, Luftfeuchte, usw., in eine andere physikalische Zielgröße um, die vorzugsweise besser oder einfacher (weiter-)verarbeitbar ist. Eine häufige gewählte physikalische Zielgröße ist wegen ihrer vielseitigen Verarbeitbarkeit (Verstärkbarkeit, Filterbarkeit und Quantifizierbarkeit (Analog-Digital-Wandlung)) die elektrische Spannung. Weiterhin ist die Zeit als physikalische Basisgröße mit hoher Genauigkeit messbar. Diese hohe Genauigkeit der Zeitmessung wird z.B. bei kapazitiven Wägezellen genutzt. Für eine genaue Messung wird die eigentliche Messkapazität häufig in eine RC-Oszillator-Anordnung eingebracht und als Messgröße die Periodendauer der RC-Oszillation verwendet. In
WO 84/02780 ist beschrieben, wie ein Verfahren der kapazitiven Wägezellen abgewandelt werden kann, um es zur genauen Strommessung einzusetzen.
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Aus
WO 2010/131187 A1 ist ein Kompensationsstromwandler bekannt, der einen Kompensationsstrom so regelt, dass der Gesamtfluss in einem Magnetkreis zu null wird.
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Bekannt ist ferner ein Fluxgate-Magnetometer, auch Saturationskern-Magnetometer oder Förster-Sonde bezeichnet, als ein Magnetometer zur vektoriellen Bestimmung des Magnetfeldes bzw. für lokale Materialfehler. Mit Fluxgate-Sonden lassen sich Magnetfelder von 0,1 nT bis 1 mT messen. Bei Fluxgate-Sonden werden weichmagnetische Kerne periodisch in die Sättigung getrieben. Die Kerne sind dabei von zwei gegensinnigen Empfängerspulen umwickelt, so dass in beiden Spulen in Abwesenheit eines Feldes sich die induzierten Spannungen aufheben. Liegt nun ein Magnetfeld an, so erzeugt die vektorielle Komponente in Richtung der Kerne ein resultierendes Signal in den Empfängerspulen, das proportional zum angelegten Feld ist (vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Fluxgate).
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen effizienten Ansatz zur Messung bzw. zur Bestimmung von Strömen in einem Leiter anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Strommessung in einem Leiter vorgeschlagen,
- – bei dem mittels einer Wicklung zur Messung eines Magnetsondenstroms ein Magnetsondenstrom gemessen wird,
- – bei dem der gemessene Magnetsondenstrom mit einem Schwellenstrom verglichen wird und abhängig von dem Vergleich eine Ausgangsspannung an die Wicklung zur Messung des Magnetsondenstroms angelegt wird,
- – bei dem der gemessene Magnetsondenstrom mit einem vorgegebenen Wert verglichen und abhängig von dem Vergleich ein Regelsignal bestimmt wird,
- – bei dem abhängig von dem Regelsignal ein Kompensationsstrom eingestellt wird,
- – bei dem anhand des eingestellten Kompensationsstroms der Strom in dem Leiter bestimmt wird.
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Hierbei sei angemerkt, dass eine Wicklung eine Windung oder mehrere Windungen aufweisen kann. Die hier erwähnte Strommessung bezieht sich auch auf eine Strombestimmung, d.h. auf die Höhe des zu bestimmenden Stroms kann anhand anderer Messungen rückgeschlossen werden.
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Aus dem Wert des Kompensationsstroms, multipliziert mit der Anzahl der Kompensationswindungen der Kompensationswicklung, ergibt sich der Strom in dem Leiter (auch bezeichnet als Primärstrom).
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Die Wicklung zur Messung des Magnetsondenstroms sowie die Kompensationswicklung stellen zumindest einen Teil einer Magnetsonde dar. Die Magnetsonde ist vorzugsweise in dem magnetischen Feld des Leiters angeordnet. Insbesondere sind die Wicklung zur Messung des Magnetsondenstroms und die Kompensationswicklung auf einem gemeinsamen Kern angeordnet.
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Eine andere Weiterbildung ist es, dass der Kompensationsstrom in Abhängigkeit von einer Periodendauer und einem Tastverhältnis des Regelsignals eingestellt wird.
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Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass der Kompensationsstrom so eingestellt wird, dass die Periodendauer maximal ist und der Tastgrad einen Sollwert von 0,5 erreicht.
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Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Kompensationswicklung und die Wicklung zur Messung des Magnetsondenstroms im Magnetfeld des Leiters, insbesondere um einen Teil des Leiters, angeordnet sind.
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Ferner ist es eine Weiterbildung, dass in dem Leiter ein Mischstrom umfassend einen Wechselstrom und einen Gleichstrom fließt.
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Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass der gemessene Magnetsondenstrom mit dem vorgegebenen Wert Null verglichen und abhängig von dem Vergleich das Regelsignal bestimmt wird.
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Eine Ausgestaltung ist es, dass der Betrag des Schwellenstroms so gewählt wird, dass bei einem Primärstrom von Null eine magnetische Feldstärke in Höhe einer Einmündungsfeldstärke erreicht wird.
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Bei dem Primärstrom handelt es sich um den Strom durch den Leiter.
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Die Einmündungsfeldstärke ist z.B. eine Feldstärke bei der die Flussdichte 90% der Sättigungsflussdichte beträgt.
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Eine Weiterbildung besteht darin, dass der Schwellenstrom bestimmt wird zu Is = Hk·lm / N mit Is proportional zu Vd, wobei
- Hk
- eine Einmündungsfeldstärke,
- lm
- eine effektive Eisenlänge,
- N
- die Windungszahl der Magnetsondenwicklung und
- Vd
- die Ausgangsspannung
bezeichnen.
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Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass
- – die Ausgangsspannung auf einen ersten Wert eingestellt wird,
- – der gemessene Magnetsondenstrom mit dem positiven Schwellenstrom verglichen wird,
- – die Ausgangsspannung auf einen zweiten Wert eingestellt wird, wenn der positive Schwellstrom erreicht und/oder überschritten wird,
- – der gemessene sinkende Magnetsondenstrom mit dem negativen Schwellenstrom verglichen wird,
- – die Ausgangsspannung auf den zweiten Wert eingestellt wird, wenn der negative Schwellstrom erreicht und/oder unterschritten wird.
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Auch ist es eine Ausgestaltung, dass der erste Wert und der zweite Wert betragsmäßig gleich groß sind.
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Die obige Aufgabe wird auch gelöst mittels einer Vorrichtung zur Strommessung
- – mit einer Wicklung zur Messung eines Magnetsondenstroms,
- – mit einer Kompensationswicklung,
- – mit einer Verarbeitungseinheit, die derart eingerichtet ist, dass
- – mittels einer Wicklung zur Messung eines Magnetsondenstroms ein Magnetsondenstrom messbar ist,
- – der gemessene Magnetsondenstrom mit einem Schwellenstrom vergleichbar ist und abhängig von dem Vergleich eine Ausgangsspannung an die Wicklung zur Messung des Magnetsondenstroms anlegbar ist,
- – der gemessene Magnetsondenstrom mit einem vorgegebenen Wert vergleichbar ist und abhängig von dem Vergleich ein Regelsignal bestimmbar ist,
- – abhängig von dem Regelsignal ein Kompensationsstrom an einer Kompensationswicklung einstellbar ist,
- – anhand des eingestellten Kompensationsstroms der Strom in dem Leiter bestimmbar ist.
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Die vorstehenden Ausführungen betreffend das Verfahren gelten für die Vorrichtung entsprechend.
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Eine Weiterbildung besteht darin, dass die Vorrichtung einen Kern aufweist, auf dem die Wicklung zur Messung des Magnetsondenstroms und die Kompensationswicklung angeordnet sind.
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Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass der Kern eine Permeabilität µ und eine Koerzitivfeldstärke Hc wie folgt aufweist:
µ > 30000;
Hc < 3A/m.
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Eine andere Ausgestaltung ist es, dass der Kern rascherstarrtes, nanokristallines oder amorphes Bandmaterial, insbesondere mit einer S- oder Z-Charakteristik der Hysterese aufweist.
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Auch ist es eine Möglichkeit, dass die Vorrichtung symmetrisch um einen Leiter anordenbar ist.
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Auch wird die obige Aufgabe gelöst mittels eines Messsystems umfassend mindestens eine der hierin beschriebenen Vorrichtungen.
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Die hier vorgestellte Lösung umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die dazu geeignet sind, Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
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Weiterhin wird das oben genannte Problem gelöst mittels eines computerlesbaren Speichermediums, z.B. eines beliebigen Speichers, umfassend von einem Computer ausführbare Anweisungen (z.B. in Form von Programmcode), die dazu geeignet sind, dass der Computer Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchführt.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Anordnung mit einem Primärstromleiter, einer Wicklung für einen Kompensationsstrom (auch bezeichnet als Kompensationswicklung), einem magnetischen Schirm (z.B. Permalloy), einer Wicklung für einen Magnetsondenstrom sowie einer Magnetsonde auf einem Träger;
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2 eine schematische Darstellung des Betriebsverfahrens zur Strommessung;
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3 beispielhaft eine Hysteresekurve mit Z-Form mit einer Remanenzflussdichte, einer Koerzitivfeldstärke Hc und einer Einmündungsfeldstärke Hk;
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4 einen beispielhaften Kurvenverlauf mit einem Signal Ur sowie einem Primärstrom;
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5 ein schematisches Schaltbild eines Oszillatorkreises, der die Ausgangsspannung Vd sowie die Regelgröße UR bereitstellt.
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Es wird vorgeschlagen, eine Magnetsonde mit (sehr) geringer Koerzitivfeldstärke und großem Remanenzverhältnis einzusetzen, um einen Gleichstrom zu bestimmen. Die Magnetsonde bildet auch den magnetischen Flusskreis; insbesondere wird sie in Form eines Ringkerns ohne einen direkten Luftspalt eingesetzt.
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Um den gesamten Ringkern als Sonde zu betreiben, ist eine günstige Auslegung von Vorteil. Das Sondenmaterial zur Strommessung weist vorzugsweise eine hohe Permeabilität auf (μ > 30000); zusätzlich sollte die Koerzitivfeldstärke vergleichsweise gering sein (z.B. Hc < 3A/m). Auch ist von Vorteil, wenn ein Remanenzverhältnis größer als 0,1 ist. Erreicht werden kann dies durch die Verwendung von rascherstarrten, nanokristallinen bzw. amorphen Bandmaterialien (z.B. Vitroperm) bevorzugt mit S- oder Z-Charakteristik der Hysterese.
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Neben der Wahl des Materials sind z.B. auch die Geometrie der Magnetsonde und ein geeignetes Betriebsverfahren von Bedeutung. Im Hinblick auf die Geometrie der Magnetsonde ist es günstig, wenn die Querschnittsfläche relativ klein ist (ca. 10–6m2). Damit wird trotz der hohen Permeabilität eine noch vertretbar hohe Induktivität erzielt.
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Diese Magnetsonde wird z.B. wie folgt betrieben: Durch eine geeignete elektronische Schaltung wird eine durch Auf- und Abmagnetisieren der Spule gekennzeichnete Oszillation erzeugt. Die für die Strommessung relevanten Größen sind ein aus dem Nulldurchgang des Spulenstromes abgeleiteter Tastgrad und die Periodendauer der Oszillation.
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Die bekannte Technik der Flux-Gate-Sensoren zur hochgenauen Messung kleinster Felder wird um ein neues Betriebsverfahren erweitert und so für die hochgenaue Messung von Gleichströmen bei vertretbaren Kosten nutzbar. Vor allem der Rückgriff auf eine Zeitmessung und das Erzeugen einer von der Vormagnetisierung abhängigen Oszillation sind hierbei besonders vorteilhafte Schritte.
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Der hier vorgeschlagene Ansatz weist u.a. die folgenden Vorteile auf:
- – Es ist nur ein einzelner Kern notwendig; bisher waren für genaue Messungen drei Kerne üblich.
- – Es ist nur eine einzelne Fluxgate Windung erforderlich; bisher waren zwei oder mehr Windungen nötig.
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Nachfolgend wird der hier vorgeschlagene Ansatz im Detail erläutert.
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Eine Strommessanordnung umfasst einen Ringkern, der eine hohe Permeabilität (μ > 30000) und eine vergleichsweise geringe Koerzitivfeldstärke (z.B. Hc < 3A/m) aufweist. Vorzugsweise ist ein Remanenzverhältnis größer als 0,1. Bedingt durch den geringen Querschnitt der Magnetsonde ist es von Vorteil, die Magnetsonde mechanisch zu stabilisieren (z.B. mittels eines Trägersubstrats).
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Anordnung 101 mit einem Primärstromleiter 102, einer Wicklung 103 für einen Kompensationsstrom (auch bezeichnet als Kompensationswicklung), einem magnetischen Schirm 104 (z.B. Permalloy), einer Wicklung 105 für einen Magnetsondenstrom sowie einer Magnetsonde 106 mit einem Träger.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des Betriebsverfahrens. In einem Block 201 wird mittels einer Strommessschaltung (z.B. einem Stromspannungswandler) der Magnetsondenstrom gemessen. In einem Block 202 wird der gemessene Magnetsondenstrom mit einem Schwellenstrom Is verglichen und eine Ausgangsspannung Vd eingestellt. Der Schwellenstrom Is ist vorzugsweise proportional zu der Ausgangsspannung Vd und wird z.B. mittels eines Spannungsteilers anhand der Ausgangsspannung Vd generiert. Somit wechselt der Schwellenstrom Is auch mit der Ausgangsspannung Vd das Vorzeichen. Die Ausgangsspannung Vd oszilliert beispielhaft zwischen +Uo und –Uo.
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Der Betrag des Schwellenstroms Is wird beispielsweise so gewählt, dass in der Sonde bei einem Primärstrom von Null eine magnetische Feldstärke von ca. Hk erreicht wird. Is = Hk·lm / N mit Is proportional zu Vd, wobei
- Hk
- eine Einmündungsfeldstärke,
- Vd
- die Ausgangsspannung
- lm
- eine effektive Eisenlänge (eventuell mit einem verteiltem Luftspalt) und
- N
- die Windungszahl der Magnetsondenwicklung
bezeichnen.
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Eine Temperaturabhängigkeit von der Einmündungsfeldstärke Hk kann durch eine entsprechende Temperaturabhängigkeit im Spannungsteiler berücksichtigt bzw. (zumindest teilweise) kompensiert werden.
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3 zeigt beispielhaft eine Hysteresekurve mit Z-Form mit einer Remanenzflussdichte 301, einer Koerzitivfeldstärke Hc 302 und einer Einmündungsfeldstärke Hk 303.
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Die Einmündungsfeldstärke Hk 303 ergibt sich als diejenige magnetische Feldstärke an dem Punkt, an dem die magnetische Flussdichte gleich der positiven Remanzflussdichte 301 ist.
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Der Betrieb kann beispielhaft in zwei Phasen unterteilt werden, eine positive und eine negative Aufladung der Spule:
- (1) Zu Beginn der positiven Aufladung wird der Ausgangsspannung Vd ein Wert +Uo zugewiesen. Dadurch steigt der Sondenstrom an, und wird mit dem positiven Schwellenstrom Is verglichen.
- (2) Wird nun der positive Schwellenstrom Is überschritten, so wird der Ausgangsspannung ein Wert -Uo zugewiesen und die Spule wird entladen.
- (3) Gleichzeitig wird ab jetzt der nun sinkende Sondenstrom mit dem negativen Schwellenstrom -Is verglichen.
- (4) Bei einem Unterschreiten des Schwellenstroms wird der Ausgangsspannung Vd wieder der Wert +Uo zugewiesen und der Vorgang beginnt von vorne.
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Ableitung der Regelgrößen
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Parallel zu der Oszillation wird von einem Komparator gemäß 2, Block 203 der gemessene Magnetsondenstroms mit dem Wert Null verglichen (siehe auch Komparator U4 in 5).
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Der Komparator liefert als Ergebnis des Vergleichs ein Signal Ur, das von einem Time-to-Digital-Converter (TDC) eines Reglers 204 hinsichtlich Periodendauer und Tastgrad analysiert wird.
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Ein Time-to-Digital-Converter ist eine elektronische Baugruppe, die kurze Zeitintervalle misst und in eine digitale Ausgabe umwandelt.
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Von dem Regler 204 wird nun der Kompensationsstrom 205 so geregelt, dass die Periodendauer maximiert wird und der Tastgrad auf einen Sollwert von z.B. 0,5 gebracht wird.
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4 zeigt einen beispielhaften Kurvenverlauf mit einem Verlauf 401 des Signals Ur sowie einem Verlauf 402 des Primärstroms (Strom durch den Primärstromleiter 102). In dem Beispiel führt ein Primärstrom von 100mA zu einer deutlichen Reduktion der Periodendauer, obwohl die Anordnung so ausgelegt ist, dass auch Primärströme von 100A gemessen werden können.
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Durch die starke Abhängigkeit des Tastgrades und der Periodendauer vom Primärstrom kann der Kompensationsstrom sehr genau geregelt werden. Der jeweilige Wert des Kompensationsstromes multipliziert mit der Anzahl der Kompensationswindungen ergibt den Primärstrom. Beim Treiber für den Kompensationsstrom ist vorzugsweise darauf zu achten, dass der Transformatoreffekt (Spannungsinduktion in der Kompensationswindung) zur Messung bei höheren Frequenzen genutzt werden kann.
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5 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Oszillatorkreises, der die Ausgangsspannung Vd sowie die Regelgröße UR bereitstellt.
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Ein Anschluss 502 ist über eine Spule L1 und einen Widerstand RL mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers U1 verbunden, dessen nichtinvertierenden Eingang auf Masse liegt. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers U1 ist mit dessen Ausgang über einen Widerstand R2 verbunden. Der Ausgang ist weiterhin mit einem positiven Eingang eines Komparators U4 und über einen Widerstand R5 mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers U2 verbunden, dessen nichtinvertierender Eingang auf Masse liegt. Der negative Eingang des Komparators U4 liegt auf Masse, der Komparator U4 stellt an seinem Ausgang die Regelgröße UR bereit.
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Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers U2 ist über einen Widerstand R6 mit dessen Ausgang verbunden. Weiterhin ist der Ausgang des Operationsverstärkers U2 mit dem negativen Eingang eines Komparators U3 verbunden. Der positive Eingang des Komparators U3 ist mit einem Knoten 501 verbunden. Der Knoten 501 ist über eine Parallelschaltung aus einem Kondensator C1 und einem Widerstand R4 mit Masse verbunden. Weiterhin ist der Knoten 501 über einen Widerstand R3 mit einem Anschluss 503 verbunden. Der Ausgang des Komparators U3 ist über eine Stromquelle E1 mit dem Anschluss 504 verbunden.
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An dem Anschluss 504 wird die Ausgangsspannung Vd bereitgestellt, die auch über die Anschlüsse 502 und 503 der in 5 dargestellten Schaltung zugeführt wird.
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Beispielsweise kann die Stromquelle E1 in 5 entfallen und der Ausgang des Komparators U3 unmittelbar die Versorgungsspannung für den Oszillatorkreis bereitstellen.
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Eine beispielhafte Auslegung der Schaltung gemäß 5 ist wie folgt: RL = 100 Ohm, R2 = 800 Ohm, R5 = 5k Ohm, R6 = 6k Ohm, C1 = 10pF, R4 = 2k Ohm, R3 = 24k Ohm. Bei den Operationsverstärkern U1 und U2 handelt es sich beispielsweise um Bausteine vom Typ LT6222 und bei den Komparatoren U3 und U4 handelt es sich beispielsweise um Bausteine vom Typ LT1715.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 84/02780 [0004]
- WO 2010/131187 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://de.wikipedia.org/wiki/Fluxgate [0006]
