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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strommessgerät zum Messen eines Stroms durch eine Stromschiene, insbesondere zum Messen eines großen Stroms.
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In der Technik sind verschieden berührungslose Strommessverfahren bekannt, um einen Strom durch eine Stromschiene zu messen. Bei diesen Strommessverfahren werden beispielsweise Stromwandler oder Hall-Generatoren verwendet, die ohne Eingriff in den stromführenden Leiter die Messung durchführen können. Somit ist jederzeit eine zuverlässige Bestimmung des Stroms durch den Leiter möglich. Für temporäre Messungen sind Stromzangen bekannt, welche die Stromschiene umgreifen und mit einer entsprechenden Auswerteeinheit einen Strom durch die Stromschiene bestimmen können.
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Für die Erfassung von Wechselstromistwerten durch Stromschienen beliebiger Nennquerschnitte werden üblicherweise Stromwandler verwendet, die an mechanische Abmessungen der Stromschienen sowie an zu erwartende Nennströme angepasst sind. Die Stromwandler wandeln den durch die Stromschiene fließenden Wechselstrom in ein normiertes Ausgangssignal um, z.B. 1 A oder 5 A. Das Ausgangssignal ist üblicherweise ein Konstantstrom. Dieser Strom ist typischerweise durch ein Wandlerverhältnis untersetzt und entspricht innerhalb von für den Wandler angegebenen Grenzen zwischen 0 Ohm und einer maximalen Bürde linear dem durch die Stromschiene fließenden Strom. Die Stromwandler werden typischerweise fest montiert und sind für einen mobilen Einsatz nicht geeignet.
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Für die Erfassung von Gleichströmen sind diese Stromwandler nicht geeignet. Daher wird zur Gleichstrommessung beispielsweise ein in Reihe geschalteter Shuntwiderstand eingesetzt und die Spannung darüber bestimmt, um daraus auf den Strom durch die Stromschiene zu schließen.
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Für große Betriebsströme, zum Beispiel bei Verbindungsstromschienen zwischen Neutralleiter- und Schutzleitersammelschienen in Starkstromverteilungen, können die Leiter Abmessungen aufweisen, die die Verwendung herkömmlicher Stromwandler nur unter großem Aufwand ermöglichen, oder deren Verwendung sogar ausschließen. Auch die Verwendung von Stromzangen ist für Stromschienen mit Querschnitten oberhalb der für die Stromzange maximalen Abmessungen nicht möglich. Auch ist für dauerhaften Einsatz die Strommessung mit Stromzangen von der Handhabung ungünstig, da die Stromzange stets in einer Hand gehalten und der jeweilige Messwert abgelesen werden muss.
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Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Strommessgerät der oben genannten Art anzugeben, welches mit geringem Aufwand sowie ohne Betriebsunterbrechung von Anlagen die Erfassung von Strömen ermöglicht, das universell verwendbar ist und das einfach in der Handhabung ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist somit ein Strommessgerät zum Messen eines Strom durch eine Stromschiene vorgesehen, insbesondere zum Messen eines großen Stroms, mit zwei Klemmkontakten, mit denen eine elektrische und mechanische Verbindung des Strommessgeräts mit der Stromschiene herstellbar ist, einem Hilfsleiter, der die Klemmkontakte parallel zu der Stromschiene verbindet, einer Messeinrichtung zum Messen eines Stroms durch den Hilfsleiter, und einer Ausgabeeinrichtung, wobei das Strommessgerät ausgeführt ist, aus dem von der Messeinrichtung gemessenen Strom den Strom durch die Stromschiene zu bestimmen, und über die Ausgabeeinrichtung basierend auf dem Strom durch die Stromschiene eine Ausgabe durchzuführen.
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Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es also, ein Strommessgerät bereitzustellen, welches mit geringem Aufwand sowie ohne die Notwendigkeit einer Betriebsunterbrechung von Maschinen oder Anlagen die Erfassung von Strömen ermöglicht, indem das Strommessgerät mit den Klemmkontakten an beliebigen Stromschienen angebracht werden kann. Damit ist das Strommessgerät dauerhaft für Messungen an der Stromschiene angebracht und muss nicht in der Hand gehalten und abgelesen werden. Neben der Nutzung einer im Sinn der Anlagen-EMV fachgerechten Überwachung von ZEP-Brücken in geerdeten Niederspannungsanlagen sind vielfältige Anwendungen möglich, beispielsweise in Photovoltaik- oder Windkraftanwendungen, Messungen in aktiven Leitern im Betrieb oder auch in Hochspannungsanlagen.
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In dem Strommessgerät wird der Hilfsleiter zu der Stromschiene parallel geschaltet, wobei die Parallelschaltung durch die Verwendung des Strommessgeräts immer eine vorgegebene Länge der Stromschiene betrifft. Damit ist die Erfassung des Stroms durch die Stromschiene einfach möglich, da in dem Strommessgerät der Hilfsleiter bekannt und die relevante Länge der Stromschiene genau definiert sind.
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Die beiden Klemmkontakte greifen auf dem dazwischenliegenden Teil der Stromschiene eine dem durch die Stromschiene fließenden Strom folgende Spannung ab. Diese Spannung treibt einen Strom durch den Hilfsleiter. Dieser Strom ist reziprok proportional dem Strom durch die Stromschiene. Dies gilt zumindest unter Vernachlässigung von HF-Effekten. Dies trifft für einen Großteil der bestimmungsgemäßen Anwendungen des Strommessgeräts zu, da üblicherweise Ströme mit Frequenzen von 0 Hz bis hin zu wenigen kHz gemessen werden. Die beiden Klemmkontakte können auf unterschiedliche Weise ausgeführt sein, beispielsweise als Schraubklemmen. Vorzugsweise sind die Klemmkontakte zur Herstellung einer gasdichten Kontaktierung der Stromschiene ausgeführt.
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Die Länge des Hilfsleiters sowie dessen Leiterquerschnitt und dessen Material bestimmen im Verhältnis zum Querschnitt der Stromschiene den Stromaufteilungsfaktor nach dem Kirchhoff‘schen Knotensatz von 1845.
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Besonders bevorzugt ist die Messeinrichtung ausgeführt, beliebige Ströme zu messen, d.h. sowohl Gleichströme wie auch Wechselströme. Somit kann das Strommessgerät universell für die Messung unterschiedlicher Ströme verwendet werden. Insbesondere können Ströme durch Verbindungsstromschienen von Neutralleiter- und Schutzleitersammelschienen erfasst und ausgewertet werden.
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Die Ausgabe des bestimmten Stroms kann prinzipiell auf beliebige Art erfolgen. Entsprechend kann die Ausgabeeinrichtung als optische und/oder akustische und/oder elektrische Ausgabeeinrichtung ausgeführt sein. Die Ausgabeeinrichtung kann zur Ausgabe eines Stromwertes durch die Stromschiene ausgeführt sein. Dazu kann die Ausgabeeinrichtung ein Display aufweisen, über das eine Ausgabe von einem Zahlenwert möglich ist. Alternativ kann eine Ausgabe erfolgen, wenn ein vorgegebener Grenzwert überschritten wird, beispielsweise durch ein optisches und/oder akustisches Signal. Weiterhin kann das Strommessgerät mit einer Mehrzahl Grenzwerte und mit einer gestuften Anzeige ausgeführt sein. Vorzugsweise ist Ausgabeeinrichtung als elektrisches Interface zur elektrischen Ausgabe des bestimmten Stroms ausgeführt.
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Das Strommessgerät kann eine absolute oder eine relative Bestimmung des Stroms durch die Stromschiene durchführen. So kann beispielsweise lediglich ein Vergleich des Stroms durch den Hilfsleiter mit einem Vergleichswert durchgeführt werden, beispielsweise mit einem zuvor gemessenen Strom durch den Hilfsleiter oder mit einem vorgegebenen Vergleichswert. Somit können Messwerte an einem Messpunkt mit vorhergehenden Messwerten verglichen werden. Alternativ kann der Strom durch die Stromschiene absolut bestimmt werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Strommessgerät derart ausgeführt, dass die Klemmkontakte als Federklemmen ausgeführt sind. Dies ermöglicht eine einfache Anbringung des Strommessgeräts an der Stromschiene. Das Strommessgerät kann beispielsweise unter Überwindung der Federkraft der Federklemmen auf die Stromschiene aufgeschoben werden. Durch die Federkraft der Federklemmen wird das Strommessgerät an der Stromschiene gehalten, und es wird automatisch eine zuverlässige elektrische Verbindung der Federklemmen mit der Stromschiene hergestellt. Eine Betätigung der Federklemmen zum Anbringen an der Stromschiene ist nicht erforderlich, wodurch keine manuellen Tätigkeiten im unmittelbaren Gefahrenbereich der Stromschiene erforderlich sind und die Handhabung des Strommessgeräts besonders sicher ist. Die Anbringung des Strommessgeräts kann ohne Werkzeug durchgeführt werden, was dessen Benutzung erleichtert.
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Vorzugsweise ist an dem Strommessgerät ein isolierter Griff oder Griffbereich zur Anbringung an der Stromschiene ausgebildet. Alternativ kann das Strommessgerät zwei Griffe zur Anbringung mit zwei Händen aufweisen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Strommessgerät ein Grundgehäuse auf, und die Klemmkontakte weisen einen Klemmbereich auf, der derart von dem Grundgehäuse beabstandet ist, dass die Verbindung des Strommessgeräts mit der Stromschiene durch das Klemmen der Stromschiene zwischen dem Grundgehäuse und den Klemmbereichen der Klemmkontakte herstellbar ist. Entsprechend kann das Strommessgerät einfach auf die Stromschiene aufgeschoben und daran angebracht werden. Besonders bevorzugt sind die Klemmkontakte als Federklemmen ausgeführt.
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Vorzugsweise sind die Klemmkontakte derart verstellbar ausgeführt oder verschiebbar an dem Grundgehäuse gehalten, dass der Abstand der Klemmbereiche von dem Grundgehäuse veränderbar ist. Damit kann das Strommessgerät an Stromschienen mit unterschiedlichen Abmessungen, insbesondere mit unterschiedlichen Dicken, angebracht werden. Besonders bevorzugt wird die Verstellung von dem Strommessgerät erfasst, um daraus Abmessungen der Stromschiene zu ermitteln.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Strommessgerät eine Einstelleinrichtung zur Anpassung an unterschiedliche Arten von Stromschienen auf. Der Widerstand der Stromschiene hängt von ihren Abmessungen und dem verwendeten Material ab, so dass das Strommessgerät durch die Anpassung auch bei verschiedenartigen Stromschienen eine zuverlässige Messung des Stroms durchführen kann. Somit kann auch eine einfache Ausgabe eines absoluten Stromwertes durch die Stromschiene erfolgen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Strommessgerät ein Isoliergehäuse auf, wobei der Hilfsleiter in dem Isoliergehäuse angeordnet ist und die Klemmkontakte durch das Isoliergehäuse geführt sind. Entsprechend kann das Strommessgerät einfach und sicher an dem Isoliergehäuse angefasst werden, beispielsweise zur Anbringung an der Stromschiene, und darüber bedient werden. Besonders bevorzugt weist das Strommessgerät mit dem Isoliergehäuse eine ihm eigene Isolationsfestigkeit auf, die einen bestimmungsgerechten Einsatz in der Überspannungskategorie der zu messenden Stromschiene ermöglicht.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Strommessgerät derart ausgeführt, dass der Hilfsleiter aus einem Material mit einem im Wesentlichen gleichen Temperaturkoeffizienten bezüglich seines elektrischen Widerstandes wie das Material der zu messenden Stromschiene ausgeführt ist. Da die Änderungen der Widerstandswerte gleichermaßen auf die Stromschiene und den Hilfsleiter wirken, können Temperaturänderungen ohne großen Aufwand ausgeglichen werden. So werden Messfehler aufgrund von Temperaturänderungen vermieden. Vorzugsweise wird für Anlagen mit Stromschienen aus Aluminium eine spezielle Variante mit einem Hilfsleiter aus Aluminium gewählt. Für den Einsatz in Anlagen mit Verbundschienen aus Kupfer und Aluminium, z.B. CUPONAL, Fa. Standard Produkte Schwanenmühle GmbH, wird bei ausreichender Messgenauigkeit vorzugsweise eine Ausführung mit einem Hilfsleiter aus Aluminium gewählt. Vorzugsweise ist der Hilfsleiter aus Aluminium oder Kupfer ausgeführt. Beide Materialien sind gute Leiter und lassen sich leicht verarbeiten, um den Hilfsleiter zu fertigen und zwischen den Elektroden anzubringen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Strommessgerät derart ausgeführt, dass die Messeinrichtung einen Stromwandler aufweist. Der Stromwandler ist besonders gut für die Messung von Wechselströmen geeignet. Der Stromwandler kann vorzugsweise den Hilfsleiter umgreifen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Strommessgerät derart ausgeführt, dass die Messeinrichtung einen Hallsensor aufweist. Der Hallsensor ist sowohl zur Messung von Gleichströmen wie auch zur Messung von Wechselströmen geeignet. Es ergibt sich eine allstromsensitive Messeinrichtung. Der Hallsensor ist vorzugsweise benachbart zu dem Hilfsleiter angebracht. Besonders bevorzugt ist der Hallsensor ringförmig ausgebildet und umgreift den Hilfsleiter, oder er ist an einer Ringstruktur, die den Hilfsleiter umgreift, angebracht.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Strommessgerät derart ausgeführt, dass die Messeinrichtung einen Durchlass für den Hilfsleiter aufweist, und der Hilfsleiter durch den Durchlass verläuft.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Strommessgerät derart ausgeführt, dass der Hilfsleiter mehrfach durch den Durchlass verläuft. Somit können bereits kleine Ströme durch den Hilfsleiter zuverlässig erfasst werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Strommessgerät eine Verriegelungseinrichtung zur mechanischen Verriegelung auf der Stromschiene auf. Durch die Verriegelungseinrichtung kann das Strommessgerät mechanisch an der Stromschiene verriegelt werden, so dass ein Verrutschen des Strommessgeräts auf der Stromschiene an der gewählten Position verhindert wird. Insbesondere kann somit ein versehentliches Verrutschen infolge unbeabsichtigter Krafteinwirkungen oder Vibrationen verhindert werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine schematische Ansicht des Aufbaus eines Strommessgeräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Stromschiene in einer Draufsicht,
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2 eine schematische Seitenansicht des Strommessgeräts aus 1 mit der Stromschiene, und
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3 eine beispielhafte Ansicht des Strommessgeräts aus Fig. von seiner Oberseite mit einer Benutzerschnittstelle und 1 mit der Stromschiene.
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Die 1 bis 3 betreffen ein erfindungsgemäßes Strommessgerät 1 zum Messen eines Stroms durch eine Stromschiene 2. Die Stromschiene 2 in diesem Ausführungsbeispiel ist eine Kupferschiene.
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Das Strommessgerät 1 weist ein Grundgehäuse 3 auf, das als Isoliergehäuse ausgeführt ist. Entsprechend ist das Grundgehäuse 3 aus einem Isolierstoff gefertigt, der in dieser Ausführungsform ein isolierender Kunststoff ist. In einer alternativen Ausführungsform ist das Grundgehäuse 3 ein isolierendes Hartpapier-Gehäuse, beispielsweise aus Pertinax. Dabei weist das Strommessgerät 1 mit dem Grundgehäuse 3 eine ihm eigene Isolationsfestigkeit auf, die einen bestimmungsgerechten Einsatz in der Überspannungskategorie der zu messenden Stromschiene 2 ermöglicht.
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Das Strommessgerät 1 weist weiterhin zwei Klemmkontakte 4 zur Anbringung an der Stromschiene 2 auf. Mit den Klemmkontakten 4 ist eine elektrische und mechanische Verbindung des Strommessgeräts 1 mit der Stromschiene 2 herstellbar. Die Klemmkontakte 4 sind als Federklemmen ausgeführt, wobei die Klemmkontakte 4 eine gasdichte Kontaktierung der Stromschiene 2 ermöglichen. Die Federklemmen 4 weisen einen Klemmbereich 5 auf, der mit einer Klemmfeder 6 ausgeführt ist. Die Klemmkontakte 4 sind durch das Grundgehäuse 3 geführt.
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Der Klemmbereich 5 der Federklemmen 4 ist derart von dem Grundgehäuse 3 beabstandet, dass die Verbindung des Strommessgeräts 1 mit der Stromschiene 2 durch das Klemmen der Stromschiene 2 zwischen dem Grundgehäuse 3 und den Klemmbereichen 5 der Federklemmen 4 herstellbar ist. Entsprechend kann das Strommessgerät 1 unter Überwindung der Federkraft der Federklemmen 4 auf die Stromschiene 2 aufgeschoben und daran angebracht werden. Dazu ist an dem Grundgehäuse 3 ein isolierter Griff ausgebildet, der in den Figuren nicht dargestellt ist.
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Die Federklemmen 4 sind auf nicht gezeigte Weise derart verschiebbar an dem Grundgehäuse 3 gehalten, dass der Abstand der Klemmbereiche 5 von dem Grundgehäuse 3 veränderbar ist, um eine Anbringung an Stromschienen 2 mit unterschiedlichen Dicken zu ermöglichen.
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In dem Grundgehäuse 3 ist ein Hilfsleiter 7 angeordnet, der die Federklemmen 4 verbindet. In einem an die Stromschiene 2 angebrachten Zustand verläuft der Hilfsleiter 7 somit parallel zu der Stromschiene 2. Der Hilfsleiter 7 und die Federklemmen 4 sind in diesem Ausführungsbeispiel aus Kupfer gefertigt.
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Ferner weist das Strommessgerät 1 eine Messeinrichtung 10 zum Messen eines Stroms durch den Hilfsleiter 7 auf. Die Messeinrichtung 10 weist einen Hallsensor zur Messung von Gleichströmen wie auch zur Messung von Wechselströmen auf. Der Hallsensor ist an einer Ringstruktur 11, die den Hilfsleiter 7 umgreift, angebracht. Entsprechend verläuft der Hilfsleiter 7 durch einen Durchlass in der Mitte der Ringstruktur 11. Die Messeinrichtung 10 umfasst weiterhin eine Signalaufbereitungseinheit 12, die das Ausganssignal des Hallsensors aufbereitet, und eine Signalauswertungseinheit 13, die den Strom durch den Hilfsleiter 7 misst und daraus den Strom durch die Stromschiene 2 bestimmt. Ein externes elektrisches Interface 14 ist mit der Signalauswertungseinheit 13 verbunden, um den bestimmten Strom durch die Stromschiene 2 auszugeben.
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Der Strom durch die Stromschiene 2 wird im Detail wie folgt bestimmt. Die Länge des Hilfsleiters 7 sowie dessen Leiterquerschnitt und Material bestimmen im Verhältnis zum Querschnitt und Material der Stromschiene 2 den Stromaufteilungsfaktor nach dem Kirchhoff‘schen Knotensatz von 1845. Die Länge des betrachteten Abschnitts der Stromschiene 2 ist durch den Abstand der Federklemmen 4 vorgegeben. Der Querschnitt der Stromschiene 2 wird mit einem später beschriebenen Auswahlknopf 25 eingestellt.
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In der Parallelschaltung aus Stromschiene 2 und Hilfsleiter 7 fällt zwischen den Federklemmen 4 eine Spannung ab, die dem durch die Stromschiene 2 fließenden Strom folgt ab. Diese Spannung treibt einen Strom durch den Hilfsleiter 7, der mit der Messeinrichtung 10 gemessen wird. Dieser Strom ist reziprok proportional dem Strom durch die Stromschiene 2, wodurch sich der Strom durch die Stromschiene 2 bestimmen lässt.
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Das Strommessgerät 1 führt in diesem Ausführungsbeispiel eine absolute Bestimmung des Stroms durch die Stromschiene 2 durch.
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Wie in 1 gezeigt ist, sind in dem Grundgehäuse 3 zusätzlich eine Hilfsenergieversorgung 15 für das Strommessgerät 1 sowie ein internes Interface 16 zur Visualisierung angeordnet.
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Außerdem weist das Strommessgerät 1 an der den Federklemmen 4 entgegen liegenden Seite des Grundgehäuses 3 eine Benutzerschnittstelle 20 auf, die in 3 dargestellt ist. Die Benutzerschnittstelle 20 wird über das interne Interface 16 angesteuert.
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Die Benutzerschnittstelle 20 umfasst eine optische Ausgabeeinrichtung 21 mit einer 10-stufigen Anzeige, über die basierend auf dem Strom durch die Stromschiene 2 eine Ausgabe durchgeführt wird. Zusätzlich weist die Benutzerschnittstelle 20 eine Warnleuchte 22 auf zur Anzeige, dass eine Warnschwelle erreicht ist. Die Warnschwelle kann über einen Vorwahlknopf 23 eingestellt werden. Über die Ausgabeeinrichtung 21 erfolgt eine gestufte Anzeige des bestimmten Stroms durch die Stromschiene 2 in Abhängigkeit von der eingestellten Warnschwelle. Eine Warnleuchte 24 dient zur Anzeige, dass eine Wartung erforderlich ist. Ein Auswahlknopf 25 dient zur Einstellung des Strommessgeräts 1 und zur Anpassung an unterschiedliche Arten von Stromschienen 2.
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Das Strommessgerät 1 weist ebenfalls an seiner Oberseite einen Stromversorgungsanschluss 26 und einen Steckeranschluss 27 für das Verbinden mit dem externen Interface 14 auf. Das Strommessgerät 1 wird über einen Hauptschalter 28 ein- bzw. ausgeschaltet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strommessgerät
- 2
- Stromschiene
- 3
- Grundgehäuse, Isoliergehäuse
- 4
- Klemmkontakt, Federklemme
- 5
- Klemmbereich
- 6
- Klemmfeder
- 7
- Hilfsleiter
- 10
- Messeinrichtung
- 11
- Ringstruktur
- 12
- Signalaufbereitungseinheit
- 13
- Signalauswertungseinheit
- 14
- Externes Interface
- 15
- Hilfsenergieversorgung
- 16
- Internes Interface
- 20
- Benutzerschnittstelle
- 21
- Ausgabeeinrichtung
- 22
- Warnleuchte
- 23
- Vorwahlknopf
- 24
- Warnleuchte
- 25
- Auswahlknopf, Einstelleinrichtung
- 26
- Stromversorgungsanschluss
- 27
- Steckeranschluss
- 28
- Hauptschalter
