DE102015103296A1

DE102015103296A1 - Messvorrichtung zum Bereitstellen eines normierten elektrischen Ausgangssignals

Info

Publication number: DE102015103296A1
Application number: DE102015103296.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Jankowski
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2015-03-06
Filing date: 2015-03-06
Publication date: 2016-09-08
Anticipated expiration: 2035-03-07
Also published as: DE102015103296B4

Abstract

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Messvorrichtung (10), die hohe Messströme, beispielsweise von über 100A, in normierte Ausgangssignale, zum Beispiel in normierte Ströme von 0 bis 20mA oder normierte Spannungen von 0 bis 10V umwandeln kann. Hierzu wird ein Messwandler (30) mit einem elektronischen Messumformer (40), der als elektrische Schaltungsanordnung realisiert wird, elektrisch verbunden. Der elektronische Messumformer (40) weist eine Energieversorgungseinrichtung (50), einen Messwiderstand (90), eine Effektivwertmesseinrichtung (60) und eine Ausgangseinrichtung (70) zum Bereitstellen eines normierten Ausgangssignals auf. Die Energieversorgungseinrichtung (50) speist die Effektivwertmesseinrichtung (60) und die Ausgangseinrichtung (70).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Bereitstellen eines normierten elektrischen Ausgangssignals, welche einen Messwandler und einen Messumformer aufweist, sowie einen elektronischen Messumformer zum Einsatz in einer solchen Messvorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
In der Prozessautomation werden zur Überwachung, Steuerung und Regelung eines Prozesses beispielsweise speicherprogrammierbare Steuerungen, kurz SPS oder PLC (Programmable Logic Controller) genannt, eingesetzt, welche neben normierten analogen Ausgängen auch normierte analoge Stromeingänge zur Aufnahme normierter analoger Eingangsströme von beispielsweise 0 bis 20mA und/oder normierte analoge Spannungseingänge für Eingangsspannungen von beispielsweise 1 bis 10V aufweisen können.
Sollen beispielsweise in einem Prozess hohe Ströme von beispielsweise 200A überwacht werden, wird derzeit eine Kombination aus Stromwandler und Strommessumformer eingesetzt, welche als separate Bauteile erhältlich sind und jeweils einen Transformator aufweisen. Hierbei transformiert ein Stromwandler den hohen Messstrom in einen deutlich niedrigeren Sekundärstrom im einstelligen Amperbereich, während ein Strommessumformer den Sekundärstrom des Stromwandlers in einen normierten Ausgangsstrom von beispielsweise 0 bis 20mA umsetzt. Ein bekannter Stromwandler, der als Kabelumbaustromwandler ausgebildet ist, ist in der DE 101 31 739 A1 beschrieben. Als Strommessumformer kann der von der Firma Phoenix Contact hergestellte Strommessumformer MCR-SLP-1-5-UI-0 verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung zum Bereitstellen eines normierten elektrischen Ausgangssignals bereitzustellen, welche einen Messwandler und einen Messumformer aufweist, deren gesamter Bauraum, Platzbedarf und Energieverbrauch gegenüber bestehenden Lösungen verringert werden kann. Darüber hinaus kann die Verkabelung und Montage einer solchen Messvorrichtung vereinfacht werden.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Messumformer zu schaffen, der einen geringen Platzbedarf und einen niedrigeren Energieverbrauch aufweist.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Ein Kerngedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, hohe Wechselströme, zum Beispiel von über 100A, mittels einer Messvorrichtung in normierte Ausgangssignale, zum Beispiel in normierte Gleichströme von 0 bis 20mA oder normierte Gleichspannungen von 0 bis 10V umzuwandeln. Hierzu wird ein Messwandler mit einem elektronischen Messumformer, der als elektrische Schaltungsanordnung realisiert wird, elektrisch verbunden. Der elektronische Messumformer kann vorzugsweise unmittelbar in einem Gehäuse des Messwandlers angeordnet oder als externe, koppelbare Baugruppe ausgebildet sein.
Ein weiterer Aspekt kann darin gesehen werden, dass der Messumformer aus dem Messkreis des Messwandlers gespeist wird, so dass keine zusätzliche Energieversorgung erforderlich ist.
Das obengenannte technische Problem wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Danach ist eine Messvorrichtung zum Bereitstellen eines normierten elektrischen Ausgangssignals vorgesehen, welche einen Messwandler mit einer Sekundärwicklung zum Transformieren eines elektrischen Messsignals in einen Messstrom und einen elektronischen Messumformer aufweist. Die Sekundärwicklung des Messwandlers weist zwei Ausgangsanschlüsse. Der elektronische Messumformer enthält folgende Merkmale:
einen mit den Ausgangsanschlüssen der Sekundärwicklung verbindbare Energieversorgungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, aus dem Sekundärstrom eine gleichgerichtete Versorgungsspannung bereitzustellen,
einen Messwiderstand zum Messen des Sekundärstroms, eine an den Messwiderstand angeschlossene Effektivwertmesseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Signal, insbesondere ein analoges Signal bereitzustellen, welches proportional dem Effektivwert des Sekundärstroms ist, und
eine mit der Effektivwertmesseinrichtung verbundene Ausgangseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, aus dem Signal der Effektivwertmesseinrichtung ein normiertes elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen. An die Ausgangseinrichtung ist eine elektrische Last anschließbar.
Die Energieversorgungseinrichtung speist sowohl die Effektivwertmesseinrichtung als auch die Ausgangseinrichtung, so dass eine zusätzliche Energieversorgung für den Messumformer nicht benötigt wird.
Angemerkt sei, dass das normierte, elektrische Ausgangssignal ein normierter Gleichstrom von beispielsweise 0 bis 20mA oder eine normierte Gleichspannung von beispielsweise 0 bis 10V sein kann.
Alle Bauteile des elektronischen Messumformers können auf einer einzigen Platine montiert sein.
Um die Gesamtbaugröße der Messvorrichtung deutlich verringern zu können, können der Messwandler und der Messumformer in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein, wobei das Gehäuse mindestens zwei Ausgangsanschlüsse zum Anschalten einer elektrischen Last an die Ausgangseinrichtung des Messumformers aufweist.
Um die Flexibilität der Messvorrichtung sowie die Gesamtbaugröße der Messvorrichtung und den Verkabelungs- und Montageaufwand hinsichtlich der Verbindung des Messwandlers und Messumformers zu reduzieren, können der Messwandler in einem ersten Gehäuse und der Messumformer in einem zweiten Gehäuse untergebracht sein. Die beiden Gehäuse können lösbar miteinander mechanisch koppelbar sein, wobei im gekoppelten Zustand der Messumformer mit der Sekundärwicklung des Messwandlers elektrisch verbunden ist. Dank des modulartigen Aufbaus dieser Messvorrichtung kann sowohl der Messwandler als auch der Messumformer einfach und kostengünstig, zum Beispiel bei einem Fehler, ausgetauscht werden.
Alternativ können der Messwandler in einem ersten Gehäuse und der Messumformer in einem zweiten Gehäuse untergebracht sein, wobei das erste Gehäuse erste Befestigungsmittel und das zweite Gehäuse zweite Befestigungsmittel aufweist, sodass der Messwandler und der Messumformer räumlich voneinander getrennt montierbar sind. Messwandler und Messumformer werden in diesem Fall über geeignete Kabel elektrisch verbunden. Beispielsweise kann das erste Gehäuse an einer Stromschiene und das zweite Gehäuse an einer Tragschiene montiert werden. Die Stromschiene, welche den zu messenden Strom führt, fungiert in diesem Fall als Primärwicklung des Messwandlers.
Um zusätzliche Energieverluste im Messwandler während der Energieversorgung der Effektivwertmesseinrichtung und der Ausgangseinrichtung zu vermeiden, kann die Energieversorgungseinrichtung einen Gleichrichter zum Gleichrichten des Sekundärstroms, einen mit dem Gleichrichter verbundenen, aufladbaren Energiespeicher und eine ansteuerbare Kurzschlussschalteinrichtung zum gesteuerten Kurzschließen der Sekundärwicklung aufweisen.
In vorteilhafter Weise weist die Effektivwertmesseinrichtung einen Mikrocontroller auf, der zum Berechnen eines Effektivwertes ausgebildet ist.
Die Effektivwertmesseinrichtung kann vorteilhafter Weise dazu ausgebildet sein, während eines Kurzschlusses der Sekundärwicklung den Sekundärstrom zu messen.
Um beispielsweise eine für den Mikrocontroller stabile Betriebsspannung liefern zu können, kann der Messumformer eine Spannungsregelungseinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, aus der Versorgungsspannung wenigstens eine Gleichspannung vorgegebener Größe zu erzeugen.
Um ein normiertes elektrisches Ausgangssignal, welches proportional dem Ausgangssignal der Effektivwertmesseinrichtung ist, zu erzeugen, kann die Ausgangsstufe eine ansteuerbare Schalteinrichtung aufweisen, welche zum Beispiel von einer Addierer-Subtrahierer-Operationsverstärker-Schaltung ansteuerbar ist.
Zweckmäßigerweise kann der Messwandler ein Strommesswandler bzw. Wechselstrommesswandler und der Messumformer ein Strommessumformer sein.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann der Messwandler ein Durchsteckwandler sein.
Das oben genannte technische Problem wird ferner durch die Merkmale des Anspruchs 13 gelöst.
Danach ist ein elektronischer Messumformer vorgesehen, zum elektrischen Verbinden mit einem Messwandler (30) ausgebildet ist. Der Messumformer weist folgende Merkmale auf:
eine mit der Sekundärspule eines Messwandlers verbindbare Energieversorgungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, aus dem Sekundärstrom eine gleichgerichtete Versorgungsspannung bereitzustellen,
einen Messwiderstand zum Messen des Sekundärstroms,
einen an den Messwiderstand angeschlossene Effektivwertmesseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Signal, insbesondere ein analoges Ausgangssignal bereitzustellen, welches proportional dem Effektivwert des Sekundärstroms ist, und
eine mit der Effektivwertmesseinrichtung verbundene Ausgangseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, aus dem Signal der Effektivwertmesseinrichtung ein normiertes elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, wobei an die Ausgangseinrichtung eine elektrische Last anschließbar ist, und wobei die Energieversorgungseinrichtung die Effektivwertmesseinrichtung und die Ausgangseinrichtung speist.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von mehreren Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Messvorrichtung, welche einen Messwandler und einen integrierten elektronischen Messumformer enthält,
2 eine Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Messvorrichtung,
3 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Messvorrichtung, welche einen Messwandler und einen an den Messwandler lösbar koppelbaren Messumformer aufweist,
4 eine beispielhafte Schaltungsanordnung des in 2 gezeigten elektronischen Messumformers,
5 eine beispielhafte Schaltungsanordnung der in 4 gezeigten Effektivwertmesseinrichtung, und
6 eine beispielhafte Schaltungsanordnung der in 4 gezeigten Ausgangseinrichtung,
7 eine beispielhafte Spannungsregelungseinrichtung,
8 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Messvorrichtung, welche einen Messwandler und einen davon räumlich getrennt montierbaren Messumformer aufweist,
9 eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform einer Messvorrichtung, welche einen Messwandler und einen an den Messwandler lösbar koppelbaren Messumformer aufweist,
10 eine perspektivische Ansicht des in 9 gezeigten Messumformer-Gehäuses.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bei den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen wird vereinfachend davon ausgegangen, dass immer der gleiche Messwandler und der gleich Messumformer verwendet wird, so dass in allen Ausführungsbeispielen hierfür immer die gleichen Bezugszeichen verwendet werden können.
Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung 10 zum Bereitstellen eines normierten elektrischen Ausgangssignals. Die Messvorrichtung 10 weist einen Messwandler 30 und einen elektronischen Messumformer 40 auf, die schematisch in 2 dargestellt sind. In 1 ist ein mehrteiliges Gehäuse gezeigt, welches eine erste Gehäusekammer 20 und eine zweite Gehäusekammer 22 bildet.
In der ersten Gehäusekammer 20 ist der Messwandler 30 untergebracht, während in der zweiten Gehäusekammer 22 der elektronische Messumformer 40 untergebracht ist, wie in 2 zu sehen ist. Angemerkt sei, dass alternativ das Gehäuse auch nur eine einzige Kammer umschließen kann, in welcher sowohl der Messwandler 30 als auch der Messumformer 40 angeordnet sind.
Wie in 1 angedeutet, können beide Gehäusekammern 20 und 22 aus mehreren Seitenteilen zusammengesetzt sein, wobei die zweite Gehäusekammer als Kopfteil auf der ersten Gehäusekammer 20 befestigt sein kann. Die erste Gehäusekammer 20 kann eine Durchstecköffnung 29 aufweisen, durch die eine Stromschiene (nicht dargestellt) durchgesteckt werden kann. Eine solche Stromschiene fungiert als Primärwicklung des Messwandlers 30. In diesem Fall kann der Messwandler 30 auch als Durchsteckstromwandler bezeichnet werden. Aus der zweiten Gehäusekammer 22 sind zwei Ausgangsanschlüsse 43 und 44 des elektronischen Messumformers 40 herausgeführt, an welche eine Last bzw. Bürde 140 angeschlossen werden kann. An den Ausgangsanschlüssen 43 und 44 wird ein normiertes elektrisches Ausgangssignal für die angeschlossene Last 140 bereitgestellt. Bei dem normierten Ausgangssignal kann es sich zum Beispiel um einen Normstrom von 0 bis 20mA oder eine Normspannung von 0 bis 10V handeln. Die Last 140 kann ein analoger Eingang einer Steuerung (nicht dargestellt) sein. An der Unterseite der Gehäusekammer 20 können Befestigungsmittel 28 vorgesehen sein, um die Messvorrichtung 10 zum Beispiel an einer Hutschiene befestigen zu können.
2 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Messvorrichtung 10. Dargestellt ist die erste Gehäusekammer 20 mit der Durchstecköffnung 29. In der ersten Gehäusekammer ist der Messwandler 30, der schematisch durch seine Sekundärwicklung 35 dargestellt ist, angeordnet. Weiterhin zeigt 2 zwei Ausgangsanschlüsse 31 und 32 der Sekundärwicklung, welche durch entsprechende Öffnungen in der Oberseite der Gehäusekammer 20 mit korrespondierenden Eingangsanschlüssen 41 und 42 des elektronischen Messumformers 40 elektrisch koppelbar sind. Ebenfalls zu sehen sind die beiden Ausgangsanschlüsse 43 und 44 des Messumformers 40.
Die in den 1 und 2 gezeigte Messvorrichtung 10 kann zusammengebaut werden, indem der Messwandler 30 in die erste Gehäusekammer 20 eingesetzt wird, die Seiten der ersten Gehäusekammer 20 zusammengesetzt, die Ausgangsanschlüsse 31 und 32 der Sekundärwicklung und die Eingangsanschlüsse 41 und 42 des elektronischen Messumformers 40 verlötet und anschließend die Seiten der zweiten Gehäusekammer 22 zusammengesetzt und mit der Oberseite der ersten Gehäusekammer 20 zum Beispiel verklebt werden.
3 zeigt eine weitere beispielhafte Messvorrichtung 10’, bei der der Messwandler 30 in einem ersten Gehäuse 20’ und der elektronische Messumformer 40 in einem zweiten Gehäuse 24 untergebracht sind. Das erste Gehäuse 20’ kann, wie in 3 gezeigt, einen Kopfteil 23 aufweisen, über den die Ausgangsanschlüsse 31 und 32 der im Gehäuse 20’ angeordneten Sekundärwicklung 35 des Messwandlers 30 zugänglich sind. Wie in 3 beispielhaft gezeigt, werden das erste Gehäuse 20’ und der Kopfteil 23 jeweils aus mehreren Seitenteilen zusammengesetzt. Der Kopfteil 23 des Gehäuses 20’ ist vorzugsweise lösbar mit dem Gehäuse 24 mechanisch koppelbar, wobei im gekoppelten Zustand der Messumformer 40 mit der Sekundärwicklung 35 des Messwandlers 30 elektrisch verbunden ist. Zur mechanischen Kopplung kann das Gehäuse 24, in welchem der elektronische Messumformer 40 angeordnet ist, zwei U-förmig ausgebildete Befestigungsmittel 220 und 221 aufweisen, wie dies beispielhaft in 10 dargestellt ist. Die U-förmigen Befestigungsmittel 220 und 221 werden in entsprechende Öffnungen des Kopfteils 23 eingesetzt und mittels Schrauben daran lösbar befestigt. Die in 2 gezeigten Ausgangsanschlüsse 31 und 32 der Sekundärwicklung 35 führen durch die Oberseite des ersten Gehäuses 20’ hindurch und enden an der Stirnseite des Kopfteils 23. Die Eingangsanschlüsse 41 und 42 des Messumformers 40 befinden sich, fluchtend zu den Ausgangsanschlüssen 31 und 32 angeordnet, an der Rückseite des zweiten Gehäuses 24. Im gekoppelten Zustand sind die Ausgangsanschlüsse 31 und 32 der Sekundärwicklung 35 und die Eingangsanschlüsse 41 und 42 des Messumformers 40 elektrisch miteinander verbunden.
An dem zweiten Gehäuse 24 kann ein vorzugsweise schwenkbares Anschlussteil vorgesehen sein, über welches die Ausgangsanschlüsse 43 und 44 des Messumformers 40 zugänglich sind. An den Ausgangsanschlüssen 43 und 44 des zweiten Gehäuses 24 wird ein normiertes elektrisches Ausgangssignal für eine anschließbare Last, zum Beispiel die Last 140, bereitgestellt. Bei dem normierten Ausgangssignal kann es sich zum Beispiel um einen Normstrom von 0 bis 20mA oder eine Normspannung von 0 bis 10V handeln. Die Last 140 kann ein analoger Eingang einer Steuerung (nicht dargestellt) sein. An der Unterseite der ersten Gehäusekammer 20 können Befestigungsmittel 28’ vorgesehen sein, um die Messvorrichtung 10 zum Beispiel an einer Hutschiene befestigen zu können.
Dank des modulartigen Aufbaus der Messvorrichtung 10’ kann sowohl der Messwandler 30 als auch der Messumformer 40 einfach und kostengünstig, zum Beispiel bei einem Fehler, ausgetauscht werden.
Eine weitere beispielhafte Messvorrichtung 10’’ ist in der 8 gezeigt. Der Messwandler 30 ist ähnlich dem Ausführungsbeispiel nach 3 in einem ersten Gehäuse untergebracht, welches zwei Gehäusekammern 20’’ und 27 aufweisen kann. 8 zeigt weiterhin in einer vereinfachten Vorderansicht, bei der die Vorderseiten der Gehäusekammern 20’’ und 27 entfernt sind, die Sekundärwicklung 35 des Messwandlers 30, deren Anschlüsse sich bis zu rechten Seite der zweiten Gehäusekammer 27 erstrecken. Die dazugehörenden Ausgangsanschlüsse 31 und 32 der Sekundärwicklung 35 sind ebenfalls dargestellt. An der unteren Seite sind Befestigungsmittel 28’’ ausgebildet, um den Messwandler 30 beispielsweise an einer Tragschiene befestigen zu können. Der elektronische Messumformer 40 ist in einem zweiten Gehäuse 200 untergebracht. Der Messumformer weist Eingangsanschlüsse 41 und 42 auf. Die Eingangsanschlüsse 41 und 42 des Messumformers 40 können über ein geeignetes elektrisches Kabel 210 mit den Ausgangsanschlüssen 31 und 32 der Sekundärwicklung 35 des Messwandlers 30 verbunden werden. Das zweite Gehäuse 200 weist Befestigungsmittel 201 auf, so dass der Messwandler 30 und der Messumformer 40 zum Beispiel an einer Tragschiene räumlich voneinander getrennt montiert werden können.
4 zeigt eine beispielhafte Schaltungsanordnung des in den 2 und 8 dargestellten elektronischen Messumformers 40, der im erläuterten Beispiel ein Strommessumformer ist.
Der elektronische Messumformer 40 weist die beiden Eingangsanschlüsse 41 und 42 auf, über die er mit den Ausgangsanschlüssen 31 und 32 der Sekundärwicklung 35 des Messwandlers 30 elektrisch verbindbar ist. Da durch die Eingangsanschlüsse 41 und 42 der Sekundärwechselstrom des Messwandlers 30 fließt und somit an den Eingangsanschlüssen 41 und 42 eine Wechselspannung anliegt, kann zwischen die beiden Eingangsanschlüsse 41 und 42 ein an sich bekannter symmetrischer Spannungsbegrenzer 80 angeschlossen sein. Der Spannungsbegrenzer 80 kann zum Beispiel durch eine Suppressor-Diode realisiert werden. Darüber hinaus weist der elektronische Messumformer 40 eine mit den Ausgangsanschlüssen 31 und 32 der Sekundärwicklung 35 verbindbare Energieversorgungseinrichtung 50 auf, die aus dem Sekundärstrom eine gleichgerichtete Versorgungsspannung Vcc an einem Energieversorgungsanschluss 51 bereitstellt. Ferner weist der elektronische Messumformer 40 einen Messwiderstand 90 zum Messen des Sekundärstroms und eine an den Messwiderstand 90 angeschlossene Effektivwertmesseinrichtung 60 auf. Die Effektivwertmesseinrichtung 60 ist dazu ausgebildet, ein Ausgangssignal, vorzugsweise eine Gleichspannung, bereitzustellen, die proportional dem Effektivwert des Sekundärstroms und somit proportional dem Messstrom ist. Der elektronische Messumformer 40 weist zudem eine mit der Effektivwertmesseinrichtung 60 elektrisch verbundene Ausgangseinrichtung 70 auf, die dazu ausgebildet ist, aus dem Ausgangssignal der Effektivwertmesseinrichtung 60 ein normiertes elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen. Beispielsweise stellt die Ausgangsstufe 70 an den Ausgangsanschlüssen 43 und 44 einen normierten analogen Ausgangsgleichstrom von 0 bis 20mA bereit.
Mit der von der Energieversorgungseinrichtung 50 bereitgestellten Versorgungsspannung Vcc können die Effektivwertmesseinrichtung 60 und die Ausgangseinrichtung 70 gespeist werden. Wie weiter unten noch näher ausgeführt, kann die pulsierende Versorgungsspannung Vcc einer in 7 beispielhaft gezeigten Spannungsregelungseinrichtung 100 zugeführt werden, die wenigstens eine stabilisierte Gleichspannung definierter Größe aus der Versorgungsspannung Vcc erzeugen kann. Um Energieverluste zu minimieren, kann die Spannungsregelungseinrichtung 100 in an sich bekannter Weise als Schaltregler ausgebildet sein. Wie in 7 gezeigt, kann die Spannungsregelungseinrichtung 100 beispielsweise zwei Schaltregler 101 und 102 aufweisen, die aus der pulsierenden Versorgungsspannung Vcc eine Gleichspannung von beispielsweise 3,3V bzw. eine Referenzgleichspannung vorbestimmter Größe bereitstellen können. Die Spannungsregelungseinrichtung 100 kann Teil der Energieversorgungseinrichtung 50 sein. Alternativ können die Effektivwertmesseinrichtung 60 und die Ausgangseinrichtung 70 jeweils eine Spannungsregelungseinrichtung enthalten, um die jeweils erforderlichen stabilisierten Gleichspannungen zu erzeugen.
Die Energieversorgungseinrichtung 50 weist vorzugsweise einen parallel an die Eingangsanschlüsse 41 und 42 angeschlossenen Gleichrichter 105 auf, der den Sekundärwechselstrom des Messwandlers 30 gleichrichtet. An den Gleichrichter 105 ist ein aufladbarer Energiespeicher 110, beispielsweise ein Kondensator angeschlossen, der über den Gleichrichter 105 aufgeladen werden kann. Hierzu ist eine ansteuerbare Kurzschlussschalteinrichtung 120 vorgesehen, die die Sekundärwicklung 35 des Messwandlers 30 kurzschließen und öffnen kann. Die Kurzschlussschalteinrichtung 120 weist beispielsweise zwei antiseriell in Reihe geschaltete Transistoren T1 und T2 auf, welche im vorliegenden Beispiel durch einen selbstsperrenden n-Mosfet 123 und einer dazu parallel geschalteten, parasitären Halbleiterdiode 121 bzw. durch einen selbstsperrenden n-Mosfet 124 und einer dazu parallel geschalteten, parasitären Halbleiterdiode 122 realisiert sind, um den Sekundärwechselstrom des Messwandlers 30 gesteuert kurzschließen zu können. Hierbei ist der Drainanschluss des Mosfets 123 und der Kathodenanschluss der Diode 121 mit dem Eingangsanschluss 41 verbunden, während der Drainanschluss des Mosfets 124 und der Kathodenanschluss der Diode 122 mit dem Eingangsanschluss 42 verbunden ist. An den Sourceanschluss des Mosfets 123 und den Anodenanschluss der Diode 121 einerseits und den Sourceanschluss des Mostfets 124 und den Anodenanschluss der Diode 122 andererseits ist der Messwiderstand 90 angeschlossen. Hierbei ist der Sourceanschluss des Mosfets 124 mit Masse verbunden.
Zur Ansteuerung der Kurzschlussschalteinrichtung 120 dient eine Ansteuereinrichtung 130, die unter anderem die Schaltschwellen der Kurzschlusseinrichtung 120 zum Kurzschließen oder Öffnen der Sekundärwicklung 35 überwacht, um ein entsprechendes Ansteuersignal zu erzeugen.
Die Ansteuereinrichtung 130 weist einen Komparator 131 mit einem positiven Eingang, einem negativen Eingang und einem Ausgang auf, welcher ein Steuersignal liefert und mit den Gateanschlüsse der Mosfets 123 und 124 verbunden ist.
Über einen Spannungsteiler R2, R3, der parallel zum Kondensator 110 geschaltet ist, wird eine über den Widerstand R3 abfallende Spannung, die proportional der im Kondenstor 110 gespeicherten Ladung ist, an den positiven Eingang des Komparators 131 angelegt. Über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R1 und einer Zener-Diode ZD, die ebenfalls parallel zum Kondensator 110 geschaltet ist, wird ein durch die Zener-Diode ZD stabilisierte Spannung an den negativen Eingang des Komparators 131 gelegt. Diese Spannung bildet die Referenzspannung für den Komparator 131. Der Ausgang des Komparators 131 wird über einen Widerstand R4 auf den positiven Eingang des Komparators 131 zurückgekoppelt und bildet dadurch eine Hyterese.
Die Ansteuereinrichtung 130 sorgt nunmehr dafür, dass im geöffneten Zustand der Kurzschlussschalteinrichtung 120 der Kondensator 110 bis zu seiner Ladeendspannung aufgeladen wird. Erkennt der Komparator 131 durch einen Vergleich der am negativen Eingang und positiven Eingang anliegenden Spannungen, dass die Ladeendspannung des Kondensators 110 erreicht worden ist, wird am Ausgang des Komparators 131 eine positive Spannung erzeugt, welche die Kurzschlussschalteinrichtung 120 derart ansteuert, dass die Sekundärwicklung 35 des Messwandlers 30 kurzgeschlossen wird. Nunmehr puffert der Kondensator 110 die Betriebsspannung Vcc. Sobald der Komparator 131 durch einen Vergleich der am negativen Eingang und positiven Eingang anliegenden Spannungen erkennt, dass die Untergrenze der Betriebsspannung Vcc erreicht worden ist, wird die Spannung am Ausgang des Komparators 131 abgeschaltet. Dadurch wird die Kurzschlussschalteinrichtung 120 geöffnet und der Kurzschluss der Sekundärwicklung aufgehoben, so dass der Kondensator 110 erneut über den Gleichrichter 105 aufgeladen wird. Der Komparator 131 überwacht folglich die beiden Schaltschwellen, zwischen denen die beiden Transistoren der Kurzschlussschalteinrichtung 120 die Sekundärwicklung 35 kurzschließen oder öffnen. Vcc ist folglich eine pulsierende Gleichspannung, die zwischen den beiden Schaltschwellen liegt. Die Schaltfrequenz hängt davon ab, wie schnell der Kondensator 110 durch die nachgeschalteten Funktionsgruppen 60 und 70 entladen wird.
Die beiden Schaltschwellen werden durch die Zener-Diode ZD und die Hysterese des Komparators 131, welche durch die Widerstände R1 bis R4 eingestellt werden kann, bestimmt. Das Verhältnis der Widerstände R2, R3 zu der Kapazität des Kondensators 110 bestimmt die Häufigkeit der Schaltvorgänge.
An den Messwiderstand 90 ist die Effektivwertmesseinrichtung 60 angeschlossen, die aus der am Messwiderstand 90 abfallenden Wechselspannung ein Ausgangssignal, beim erläuterten Beispiel eine analoge Spannung, erzeugt, welche zum Effektivwert des Sekundärstroms des Messwandlers 30 proportional ist. Die analoge Spannung wird als Eingangssignal der Ausgangseinrichtung 70 zugeführt, welche durch eine an den Ausgangsanschlüssen 43 und 44 angeschaltete Last einen normierten Ausgangsstrom zum Beispiel zwischen 0 bis 20mA treibt. Damit die Messungen nicht verfälscht werden, ist vorzugsweise dafür zu sorgen, dass die Effektivwertmesseinrichtung 60 nur arbeitet, wenn ein Kurzschluss der Sekundärwicklung 35 bzw. des Sekundärkreises des Messwandlers 30 vorliegt. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass der Mikrocontroller 62 den Ausgang des Komparators 131 überwacht und die Effektivwertmesseinrichtung 60 entsprechend steuert.
Die Energieversorgungseinrichtung 50, die Effektivwertmesseinrichtung 60 und die Ausgangseinrichtung 70 können auf separaten Platinen montiert sein. Zweckmäßigerweise werden die drei Funktionsblöcke jedoch auf einer Platine angeordnet.
Wie in 4 gezeigt, wird die von der Energieversorgungseinrichtung 50 erzeugte Betriebsspannung Vcc an der Effektivwertmesseinrichtung 60 und die Ausgangseinrichtung 70 angelegt. In diesem Fall weist sowohl die Effektivwertmesseinrichtung 60 als auch die Ausgangseinrichtung 70 eine Spannungsregelungseinrichtung auf, welche die erforderlichen stabilisierten Gleichspannungen, nämlich 3,3V sowie eine Referenzgleichspannung sowohl für die Ausgangseinrichtung 70 als auch für die Effektivwertmesseinrichtung, liefern. Alternativ kann, wie bereits weiter oben erwähnt, die in 7 gezeigte Spannungsregelungseinrichtung 100 Bestandteil der Energieversorgungseinrichtung 50 sein und mit dem Energieversorgungsanschluss 51 verbunden werden. In diesem Fall werden die erforderlichen stabilisierten Gleichspannungen unmittelbar der Effektivwertmesseinrichtung 60 und der Ausgangseinrichtung 70 zugeführt.
In 5 ist eine beispielhafte Schaltungsanordnung der in 4 dargestellten Effektivwertmesseinrichtung 60 gezeigt. Die Umwandlung der am Messwiderstand 90 abfallenden Wechselspannung in ein Ausgangssignal, welches dem Effektivwert des Sekundärstroms des Messwandlers 30 proportional ist, kann in an sich bekannter Weise zum Beispiel von einem Mikrocontroller 62 durchgeführt werden. Hierzu misst der Mikrocontroller 62 während eines Kurzschlusses der Sekundärwicklung 35 die am Messwiderstand 90 abfallende Wechselspannung und berechnet daraus den Effektivwert. Das Ausgangssignal des Mikrocontrollers 62 ist somit dem Effektivwert des Sekundärstroms des Messwandlers 30 proportional. Angemerkt sei, dass der Mikrocontroller 62 ausgangsseitig ein pulsweitenmoduliertes Signal liefern kann. Das pulsweitenmodulierte Signal wird über ein RC-Glied in ein analoges Ausgangssignal umgewandelt. Ein geeignetes RC-Glied kann einen Widerstand 61 aufweisen, dem eine Pi-Schaltung aus zwei Kondensatoren 64 und 65 und einem Widerstand 63 nachgeschaltet ist. Zur Spannungsversorgung des Mikrocontrollers 62 kann eine Gleichspannung von beispielsweise 3.3V dienen, welche von der Spannungsregelungseinrichtung 100 bereitgestellt werden kann. Dank der Verwendung einer solchen Effektivwertmesseinrichtung 60 können auch verzerrte Sekundärströme korrekt gemessen werden.
In 6 ist eine beispielhafte Schaltungsanordnung der in 4 gezeigten Ausgangseinrichtung 70 dargestellt. Am Eingang IN der Ausgangseinrichtung 70 liegt die von der Effektivwertmesseinrichtung 60 bereitgestellte Gleichspannung an, aus der die Ausgangseinrichtung 70 einen normierten Ausgangstrom beispielsweise zwischen 0 bis 20mA erzeugt und diesen durch die an den Ausgangsanschlüssen 43 und 44 angeschlossene Last 140 treibt. Der normierte Ausgangsstrom muss unabhängig von der Versorgungsspannung Vcc und im Wesentlichen unabhängig von der angeschlossenen Last 140 sein. Um das zu erreichen, kann die Schaltungsanordnung eine Addierer-Subtrahierer-Operationsverstärker-Schaltung 150 aufweisen, die wiederum einen Operationsverstärker 152 enthält. Der Operationsverstärker 152 wird beispielsweise von einer positiven Gleichspannung von 3.3V gespeist, welche von der Spannungsregelungseinrichtung 100 bereitgestellt werden kann. Die am Eingang IN anliegende analoge Spannung wird über einen Spannungsteiler an den positiven Eingang des Operationsverstärkers 152 gelegt. Der Spannungsteiler enthält einen Widerstand R11, der in Reihe geschaltet ist mit einer Parallelschaltung, welche einen Widerstand R6 und eine dazu parallel geschaltete Reihenschaltung aus Widerständen R10 und R7 aufweist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 152 ist über einen Widerstand R5 auf den negativen Eingang des Operationsverstärkers 152 rückgekoppelt. Die Addierer-Subtrahierer-Operationsverstärker-Schaltung 150 steuert eine ansteuerbare Schalteinrichtung 160 an, welche als npn-Transistor ausgebildet sein kann. Hierzu ist der Ausgang des Operationsverstärkers 152 mit dem Basisanschluss des npn-Transistors 160 verbunden, dessen Emitteranschluss mit den Widerständen R10 und R7 verbunden ist. Weiterhin ist der negative Anschluss des Operationsverstärkers 152 über einen Widerstand R8 mit Masse und über einen Widerstand R9 mit einer Referenzspannung Ref verbunden. Die Referenzspannung kann ebenfalls von der Spannungsregelungseinrichtung 100 bereitgestellt werden, wie dies in 7 gezeigt ist.
Wie in der 6 weiter gezeigt ist, ist die von der Energieversorgungseinrichtung 50 bereitgestellte Versorgungsspannung Vcc an den Ausgang 43 angelegt, während der Kollektoranschluss des npn-Transistors 160 mit dem Ausgangsanschluss 44 verbunden ist. Die beispielhaft realisierte Ausgangseinrichtung 70 sorgt dafür, dass die Spannung am Widerstand R7 proportional zur am Eingang IN anliegenden analogen Spannung ist. Damit ist der Strom durch den Widerstand R7 im Wesentlichen gleich dem durch die Last 140 fließenden Strom. Somit ist gewährleistet, dass der durch die Last 140 fließende normierte Ausgangstrom proportional der am Eingang IN anliegenden Eingangsspannung ist. Es versteht sich, dass jede schaltungstechnische Realisierung der Ausgangseinrichtung 70 verwendet werden kann, die die zuvor genannten Bedingungen erfüllt.
9 zeigt eine weitere beispielhafte Messvorrichtung 10’’’, die der in 3 gezeigten Messvorrichtung 10’ im Aufbau und in der Funktionsweise ähnelt. Der Messwandler 30 ist in einem ersten Gehäuse 20’’’ und der elektronische Messumformer 40 in einem zweiten Gehäuse 24’ untergebracht. Der Messumformer 40 kann, wie in 9 angedeutet, auf einer einzigen Platine 230 montiert sein. Das erste Gehäuse 20’’’ kann, wie in 9 gezeigt, einen gehäuseförmigen Kopfteil 23’ aufweisen, über den die Ausgangsanschlüsse 31 und 32 der im Gehäuse 20’’’ angeordneten Sekundärwicklung 35 des Messwandlers 30 für die Eingangsanschlüsse 41 und 42 des Messumformers 40 zugänglich sind (nicht dargestellt). Der Kopfteil 23’ des Gehäuses 20’’’ ist vorzugsweise lösbar mit dem Gehäuse 24’ mechanisch koppelbar, wobei im gekoppelten Zustand der Messumformer 40 mit der Sekundärwicklung 35 des Messwandlers 30 elektrisch verbunden ist. Zur mechanischen Kopplung kann das Gehäuse 24’ zwei U-förmig ausgebildete Befestigungsmittel 220 und 221 aufweisen, wie dies beispielhaft in 10 dargestellt ist. Im Unterschied zu der in 3 gezeigten Messvorrichtung 10’ fungieren die U-förmigen Befestigungsmittel 220 und 221 nicht nur als Mittel zur mechanischen Kopplung, sondern auch als die elektrischen Ausgangsanschlüsse 43 und 44 des Messumformers 40. Demzufolge ist entweder das Material der Befestigungsmittel 220 und 221 elektrisch leitfähig, oder die U-förmigen Befestigungsmittel 220 und 221 fungieren lediglich als Träger der elektrischen Ausgangsanschlüsse 43 und 44 und gegebenenfalls von Anschlussleitungen des Messumformers 40, die in geeigneter Weise an den U-förmigen Befestigungsmittel 220 und 221 angeordnet sind. Im letzteren Fall können die U-förmigen Befestigungsmittel auch Teil der Platine 230 sein. Die Befestigungsmittel 220 und 221 werden in entsprechende Öffnungen des Kopfteils 23 eingesetzt und mittels Schrauben 250 und 253 daran lösbar befestigt. Hierzu können im Kopfteil 23’ zwei im Abstand zueinander angeordnete Befestigungseinrichtung 240, beispielsweise zwei n-förmige Haltehülse vorgesehen sein. In jeder Haltehülse 240 sind beispielsweise zwei mit Gewinde versehene Öffnungen vorgesehen, in die jeweils eine Schraube 250 bis 253 eingesetzt werden kann. Sobald das die U-förmigen Befestigungsmittel 220 und 221 in die Haltehülsen 240 eingeführt worden sind, kann das Gehäuse 24’ mittels der Schrauben 250 und 253 lösbar am Kopfteil 32’ des Gehäuses 20’’’ befestigt werden.
An der gegenüberliegenden Seite des Kopfteils 23’ sind fluchtend zu den beiden Befestigungsmitteln 220 und 221 beispielsweise zwei Anschlussklemmen 270, 271 zum Anschließen eines Lastkreises vorgesehen, der schematisch durch zwei Leiterabschnitte 260 dargestellt ist. Die Leiterabschnitte 260 können mittels der Schrauben 251 und 252 an den Haltehülsen 240 befestigt werden. Auf diese Weise wird der Lastkreis 260 an die Ausgangsanschlüsse 43 und 44 des Messumformers 40 angeschlossen. An den Ausgangsanschlüssen 43 und 44 des Messumformers 40 wird ein normiertes elektrisches Ausgangssignal für eine über die Leiterabschnitte 260 anschließbare Last, zum Beispiel die Last 140, bereitgestellt. Bei dem normierten Ausgangssignal kann es sich zum Beispiel um einen Normstrom von 0 bis 20mA oder eine Normspannung von 0 bis 10V handeln. Die Last 140 kann ein analoger Eingang einer Steuerung (nicht dargestellt) sein. An der Unterseite der ersten Gehäusekammer 20’’’ können Befestigungsmittel vorgesehen sein, um die Messvorrichtung 10’’’ zum Beispiel an einer Hutschiene befestigen zu können.
Die in der 2 gezeigten Ausgangsanschlüsse 31 und 32 der Sekundärwicklung 35 führen durch die Oberseite des ersten Gehäuses 20’’’ hindurch und enden an der vorderen Stirnseite des Kopfteils 23’. Die in 4 gezeigten Eingangsanschlüsse 41 und 42 des Messumformers 40 befinden sich, fluchtend zu den Ausgangsanschlüssen 31 und 32 angeordnet, an der Rückseite des zweiten Gehäuses 24’. Im gekoppelten Zustand sind die Ausgangsanschlüsse 31 und 32 der Sekundärwicklung 35 und die Eingangsanschlüsse 41 und 42 des Messumformers 40 elektrisch miteinander verbunden.
Dank des modulartigen Aufbaus der Messvorrichtung 10’’’ kann sowohl der Messwandler als auch der Messumformer einfach und kostengünstig, zum Beispiel bei einem Fehler, ausgetauscht werden.
Angemerkt sei noch, dass die Messvorrichtung 10, 10’, 10’’ bzw. 10’’’ und insbesondere der Messumformer 40 dazu ausgebildet sein kann, dass auch mehr als eine Last angeschlossen werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10131739 A1 [0003]

Claims

Messvorrichtung (10) zum Bereitstellen eines normierten elektrischen Ausgangssignals aufweisend – einen Messwandler (30) mit einer Sekundärwicklung (35) zum Transformieren eines elektrischen Messsignals in einen Messstrom, wobei die Sekundärwicklung (35) zwei Ausgangsanschlüsse (31, 32) aufweist, und – einen elektronischen Messumformer (40) mit folgenden Merkmalen: eine mit den Ausgangsanschlüssen (31, 32) der Sekundärwicklung (35) verbindbare Energieversorgungseinrichtung (50), die dazu ausgebildet ist, aus dem Sekundärstrom eine gleichgerichtete Versorgungsspannung bereitzustellen, ein Messwiderstand (90) zum Messen des Sekundärstroms, eine an den Messwiderstand (90) angeschlossene Effektivwertmesseinrichtung (60), die dazu ausgebildet ist, ein Signal bereitzustellen, welches proportional dem Effektivwert des Sekundärstroms ist, und eine mit der Effektivwertmesseinrichtung (60) verbundene Ausgangseinrichtung (70), welche dazu ausgebildet ist, aus dem Signal der Effektivwertmesseinrichtung (60) ein normiertes elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, wobei an die Ausgangseinrichtung (70) eine elektrische Last (140) anschließbar ist, und wobei die Energieversorgungseinrichtung (50) die Effektivwertmesseinrichtung (60) und die Ausgangseinrichtung (70) speist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwandler (30) und der elektronische Messumformer (40) in einem gemeinsamen Gehäuse (20, 22) untergebracht sind, wobei das Gehäuse zwei Ausgangsanschlüsse zum Anschalten der elektrischen Last (140) an die Ausgangseinrichtung (70) des Messumformers (30) aufweist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwandler (30) in einem ersten Gehäuse (20’, 23; 20’’’, 23’) und der elektronische Messumformer (40) in einem zweiten Gehäuse (24’) untergebracht sind, wobei die beiden Gehäuse insbesondere lösbar miteinander mechanisch koppelbar sind, wobei im gekoppelten Zustand der Messumformer (40) mit der Sekundärwicklung (35) des Messwandlers (30) elektrisch verbunden ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwandler (30) in einem ersten Gehäuse (20’’) und der elektronische Messumformer (40) in einem zweiten Gehäuse (200) untergebracht sind, wobei das erste Gehäuse (20’’) erste Befestigungsmittel (28’’) und das zweite Gehäuse (200) zweite Befestigungsmittel (201) aufweist, so dass der Messwandler (30) und der Messumformer (40) räumlich voneinander getrennt montierbar sind.
Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinrichtung (50) einen Gleichrichter (105) zum Gleichrichten des Sekundärstroms, einen mit dem Gleichrichter (105) verbundenen, aufladbaren Energiespeicher (110) und eine ansteuerbare Kurzschlussschalteinrichtung (120) zum gesteuerten Kurzschließen der Sekundärwicklung (35) aufweist.
Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Effektivwertmesseinrichtung (60) einen Mikrocontroller (62) aufweist, der zum Berechnen eines Effektivwertes ausgebildet ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Effektivwertmesseinrichtung (60) dazu ausgebildet ist, nur während eines Kurzschlusses der Sekundärwicklung (35) den Sekundärstrom zu messen.
Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messumformer (40) eine Spannungsregelungseinrichtung (100) aufweist, die dazu ausgebildet ist, aus der Versorgungsspannung (Vcc) wenigstens eine Gleichspannung vorgegebener Größe zu erzeugen.
Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstufe (70) eine ansteuerbare Schalteinrichtung (160) aufweist, welche von einer Addierer-Subtrahierer-Operationsverstärker-Schaltung (150) ansteuerbar ist.
Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwandler (30) ein Strommesswandler und der Messumformer (40) ein Strommessumformer ist.
Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwandler (30) ein Durchsteckwandler ist.
Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Messumformer (40) auf einer einzigen Platine montiert ist.
Elektronischer Messumformer (40) zum elektrischen Verbinden mit einem Messwandler (30) aufweisend: eine mit der Sekundärspule (35) eines Messwandlers (30) verbindbare Energieversorgungseinrichtung (50), die dazu ausgebildet ist, aus dem Sekundärstrom eine gleichgerichtete Versorgungsspannung bereitzustellen, einen Messwiderstand (90) zum Messen des Sekundärstroms, eine an den Messwiderstand (90) angeschlossene Effektivwertmesseinrichtung (60), die dazu ausgebildet ist, ein Signal bereitzustellen, welches proportional dem Effektivwert des Sekundärstroms ist, und eine mit der Effektivwertmesseinrichtung verbundene Ausgangseinrichtung (70), welche dazu ausgebildet ist, aus dem analogen Signal der Effektivwertmesseinrichtung (60) ein normiertes elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, wobei an die Ausgangseinrichtung (70) eine elektrische Last (140) anschließbar ist, und wobei die Energieversorgungseinrichtung (50) die Effektivwertmesseinrichtung (60) und die Ausgangseinrichtung (70) speist.