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Die Erfindung betrifft eine eigenversorgte Messvorrichtung zur Erfassung einer Stromstärke in einer Leitung und ein zugehörigen Messverfahren.
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Aus
DE 37 10 291 A1 ist eine Schaltung zur Analog-/Digital-Wandlung von Signalen unterschiedlicher Pegel bekannt, in der eine Mehrzahl an Spannungsteilern angeordnet ist. Über die Spannungsteiler werden Signale erzeugt, die Komparatoren zugeführt werden, die wiederum mit einem Flash-Konverter verbunden sind. An den Komparatoren liegen dabei jeweils ein Eingangssignal und eine Referenzspannung an.
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DE 10 2008 012 545 A1 offenbart eine Schaltung zum Vergleichen von Spannungen, in der eine Mehrzahl an Spannungsteilern jeweils mit einer Spannungsquelle verbunden sind. Die Spannungsteiler sind jeweils mit einem Eingang eines Operationsverstärkers verbunden, der an eine Versorgungsspannung angeschlossen ist.
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Der Nachteil von bekannten Vorrichtungen zur Erfassung der Stromstärke in einer Leitung besteht darin, dass diese erst ab einer bestimmten Mindeststromstärke eine elektrische Eigenversorgung der Vorrichtung über die erfasste Leitung erlauben ohne dass die Messgenauigkeit erheblich reduziert wird. Zur Vergrößerung des Messbereichs werden häufig Operationsverstärker eingesetzt, die komplex und kostenintensiv sind und eine erhebliche Versorgungsspannung benötigen. Es besteht ein Bedarf an einer Messvorrichtung, die eine präzise Messung in einem vergrößerten Messbereich erlaubt und gleichzeitig eine geringe Komplexität aufweist, wirtschaftlich herstellbar ist und die Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet.
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Die Aufgabenstellung wird durch die erfindungsgemäße Messvorrichtung gelöst, die zur Erfassung einer Stromstärke mit einer Leitung verbindbar ist. Die Messvorrichtung weist eine Erfassungseinheit auf, in der ein erster und ein zweiter Spannungsteiler angeordnet sind. Die Spannungsteiler sind mit einem Primär-Messsignal gekoppelt, das durch einen Messwandler, der mit der Leitung zusammenwirkt, erzeugt wird. Das Primär-Messsignal ist damit zur Erfassung und Quantifizierung der in der Leitung vorliegenden Stromstärke geeignet. Jeder der Spannungsteiler ist zum Erzeugen eines Messsignals ausgebildet, das jeweils über eine Messleitung ausgegeben wird. Das erste Messsignal vom ersten Spannungsteiler wird über die zugehörige Messleitung an einen ersten Signaleingang eines Signalwandlers in einer Auswertungseinheit weitergeleitet. Gleichermaßen wird das zweite Messsignal vom zweiten Spannungsteiler über die zugehörige Messleitung an einen zweiten Signaleingang des Signalwandlers in der Auswertungseinheit weitergeleitet. Der Signalwandler ist dazu ausgebildet, das erste und zweite Messsignal separat oder in Kombination zur Bildung eines Messwertes auszuwerten. Eine Kombination des ersten und zweiten Messsignals kann dabei beispielsweise in einer Addition der beiden Messsignale bestehen. Erfindungsgemäßen ist der Signalwandler zu seiner Stromversorgung über eine Versorgungsleitung mit dem Messwandler verbunden. Dabei ist die Versorgungsleitung schaltbar, so dass die Stromversorgung des Signalwandlers gezielt unterbrechbar ist.
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In der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist die Stromversorgung des Signalwandlers damit zeitlich in einem einstellbaren Umfang aktivierbar und deaktivierbar. Die eingesetzten Spannungsteiler bewirken unterschiedliche Skalierungen der Messsignale und erlauben es, auf komplexe und kostenintensive Komponenten wie Operationsverstärker zu verzichten. Bei einer geringen Stromstärke in der Leitung ist der Signalwandler damit deaktivierbar, so dass die Energieversorgung der Messschaltung aufrechterhalten werden kann. Die elektrische Eigenversorgung der Messvorrichtung über den Messwandler erlaubt es ferner, auf zusätzliche Stromquellen zu verzichten, so dass die Komplexität der erfindungsgemäßen Messvorrichtung gering ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Signalwandler als Analog-Digital-Wandler ausgebildet. Besonders bevorzugt weist der Analog-Digital-Wandler dabei eine Messauflösung von 8 bis 12 Bit, vorzugsweise von 10 Bit, auf. Ein Analog-Digital-Wandler ist dazu geeignet, zuverlässig und schnell eingehende Messsignale zu verarbeiten und kann kostengünstig hergestellt werden. Die Erfindung erlaubt ferner den Einsatz von Analog-Digital-Wandlern mit einer reduzierten Messauflösung. Dadurch wird die mit dem Analog-Digital-Wandler erzielbare Stromersparnis und Wirtschaftlichkeit weiter gesteigert.
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Vorzugsweise sind in der erfindungsgemäßen Messvorrichtung jeweils ein Schaltmittel zum Schalten der Stromversorgung des Signalwandlers und ein Schaltmittel zur Bereitstellung einer Referenzspannung vorgesehen. Die Referenzspannung stellt vorzugsweise ein positives Potential zur Verfügung, so dass negative Anteile im ersten und zweiten Messsignal vermieden werden. Hierdurch wird die Auswertung des ersten und zweiten Messsignals vereinfacht. Die Schaltmittel sind mit einer einstellbaren Kopplung miteinander verbunden, so dass die Betätigung eines Schaltmittels dem anderen Schaltmittel folgt. Die Kopplung zwischen den Schaltmitteln ist derart einstellbar, dass eine Verzögerung, mit der das eine Schaltmittel der Betätigung des anderen Schaltmittels folgt, wählbar ist. Ein einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Verzögerung zwischen 0 ms und 20 ms.
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Darüber hinaus kann in der beanspruchten Messvorrichtung die Betätigung von mindestens einem der Schaltmittel durch einen Taktgeber angesteuert werden. Der Taktgeber ist dazu ausgebildet, mit einer einstellbaren Frequenz ein Schaltsignal auszugeben, das das angesteuerte Schaltmittel durch ein Öffnen oder ein Schließen umsetzt und das andere Schaltmittel diesem folgt. Ein getaktetes Bereitstellen der Stromversorgung des Signalwandlers und Bereitstellen der Referenzspannung erlaubt es, während eines Dauerbetriebs der Messvorrichtung den zeitlichen Anteil von aktiven mit Messungen und inaktiven Phasen ohne Messungen im Hinblick auf einen angestrebten Stromverbrauch oder eine angestrebte Messgenauigkeit einzustellen. Dadurch kann die erfindungsgemäße Messvorrichtung über einfache Parameter an ein breites Spektrum von Betriebszuständen angepasst werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Taktgeber mit dem Schaltmittel zur Bereitstellung der Referenzspannung und dem Schaltmittel in der Versorgungsleitung des Signalwandlers separat verbunden. Der Taktgeber ist dazu ausgebildet, beide Schaltmittel durch separate Schaltbefehle zu betätigen. Folglich wird die Kopplung zwischen den Schaltelementen durch die Anordnung des Taktgebers hergestellt. Zwischen den korrespondierenden Schaltsignalen an beide Schaltmittel liegt hierbei eine einstellbare Verzögerung vor. Die Verzögerung liegt dabei vorzugsweise zwischen 0 ms und 20 ms.
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Des Weiteren kann der erste Spannungsteiler der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Erzeugung des ersten Messsignals ausgebildet sein, das zur Erfassung eines ersten Wertebereichs der in der Leitung vorliegenden Stromstärke geeignet ist. Gleichzeitig kann der zweite Spannungsteiler zur Erzeugung des zweiten Messsignals ausgebildet sein, das zur Erfassung eines zweiten Wertebereichs der in der Leitung vorliegenden Stromstärke geeignet ist. Besonders bevorzugt haben die beiden Wertebereiche einen reduzierten Überlappungsbereich. Infolgedessen kann durch die beiden Spannungsteiler insgesamt ein vergrößerter Messbereich abgedeckt werden, der sich im Wesentlichen aus den beiden Wertebereichen zusammensetzt. Der Signalwandler ist zu einer Identifikation des präziseren Messsignals für den vorliegenden Wertebereich der Stromstärke ausgebildet, so dass stets eine präzise Messung möglich ist. Der Nachteil eines einzelnen Spannungsteilers, der lediglich für einen festgelegten Wertebereich exakte Messsignale liefert, wird somit überwunden.
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Darüber hinaus kann in der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zusätzlich mindestens ein weiterer, dritter Spannungsteiler in der Erfassungseinheit angeordnet sein, der dazu ausgebildet ist, ein drittes Messsignal zu erzeugen. Ein dritter Spannungsteiler erlaubt es bei entsprechender Konfiguration aller eingesetzten Spannungsteiler, die Messsignale für einen breiten Wertebereich der vorliegenden Stromstärke zu skalieren. Infolgedessen wird dem Signalwandler stets ein für die vorliegende Stromstärke genaues Messsignal bereitgestellt und der Dynamikbereich der beanspruchten Messvorrichtung insgesamt vergrößert. Eine entsprechende weitere Erhöhung der Anzahl an eingesetzten Spannungsteilern erlaubt es, diese Vorteile, je nach Anforderung des jeweiligen Anwendungsfalls, weiter auszubauen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens einer der Spannungsteiler zwei seriell geschaltete Widerstände. Durch die Auswahl von Widerständen kann der angestrebte Wertebereich bei der Messung der Stromstärke in einfacher Weise festgelegt werden. Widerstände sind in einer breiten Spanne an Konfigurationen wirtschaftlich herstellbar und bieten ein hohes Maß an Robustheit.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch das beanspruchte Messverfahren für die in einer Leitung vorliegende Stromstärke gelöst. Zum erfindungsgemäßen Verfahren gehört ein erster Schritt, in dem ein Primär-Messsignal mit einem Messwandler erzeugt wird, der in unmittelbarer Wechselwirkung mit der zu überwachenden Leitung steht. Das Primär-Messsignal ist beispielsweise ein elektrischer Strom, der an der Leitung durch Induktion erzeugt wird. In einem weiteren Schritt wird das Primär-Messsignal zu einem ersten und zu einem zweiten Spannungsteiler geleitet und damit jeweils zu einem ersten und zweiten Messsignal verarbeitet. Das erste und das zweite Messsignal werden in einem anschließenden Schritt unmittelbar über Messleitungen an einen Signalwandler weitergeleitet. Durch den Signalwandler erfolgt eine Auswertung von mindestens einem der Messsignale, so dass für die in der Leitung vorliegende Stromstärke ein Messwert ermittelt wird. Erfindungsgemäß erfolgt die Stromversorgung des Signalwandlers unmittelbar durch den Messwandler. Die dazu vorgesehene Versorgungsleitung zwischen dem Messwandler und dem Signalwandler ist schaltbar, d.h. sie kann durch ein Schaltelement gezielt und gesteuert unterbrochen werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, durch die Auswertung von einem oder mehreren Messsignalen, eine exakte Messung der Stromstärke in der Leitung durchzuführen. Die an- und abschaltbare Stromversorgung des Signalwandlers erlaubt es, den Stromverbrauch beim Messverfahren zu reduzieren, indem der Signalwandler zu Zeitpunkten, an denen keine Messung erforderlich oder geboten ist, zielgerichtet abgeschaltet werden kann. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren energiesparend durchgeführt werden. Des Weiteren kann durch ein Deaktivieren des Signalwandlers die Energieversorgung der Messschaltung aufrechterhalten werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Erfassen und Auswerten des ersten und zweiten Messsignals durch einen Signalwandler, der als Analog-Digital-Wandler ausgebildet ist. Ein Analog-Digital-Wandler ist dazu geeignet, Messsignale schnell und zuverlässig auszuwerten und weist eine reduzierte Komplexität auf. Ferner kann ein Analog-Digital-Wandler kostengünstig hergestellt werden.
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Besonders bevorzugt wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein Schaltelement, das das An- und Abschalten der Stromversorgung des Signalwandlers ermöglicht, durch einen Taktgeber mit einem einstellbaren Schaltsignal betätigt. Das Betätigen umfasst dabei das Öffnen und Schließen des Schaltelements. Weiter bevorzugt kann die Betätigung des Schaltelements in der Versorgungsleitung des Signalwandlers auch erfolgen, indem der Taktgeber durch ein Schaltsignal ein Schaltelement betätigt, mit dem mindestens einer der Spannungsteiler mit einer Referenzspannung versorgt wird. Das Schaltelement, mit dem die Referenzspannung bereitgestellt wird, ist durch eine einstellbare Kopplung mit dem Schaltelement in der Versorgungsleitung des Signalwandlers verbunden, so dass dieses der Betätigung des Schaltelements, das die Referenzspannung bereitstellt, folgt.
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Das Schaltsignal des Taktgebers ist dahingehend einstellbar, dass sowohl die Dauer von Aktivphasen, in denen das betätigte Schaltelement geschlossen ist, als auch die Dauer von Inaktivphasen, in denen das betätigte Schaltelement geöffnet ist, durch ein Programm oder eine Benutzereingabe gewählt werden können. Infolgedessen kann das Schaltsignal und/oder eine Sequenz von Schaltsignalen beliebig eingestellt werden. Somit ist es möglich, den Signalwandler in Betriebszuständen, in denen eine exakte Messung der Stromstärke in der Leitung nicht erforderlich oder geboten ist, deaktiviert werden. Die Energieversorgung, also die Eigenversorgung der Messelektronik kann an die vorliegende Stromstärke angepasst werden. Ferner kann je nach Erfordernis während des Betriebs die Abtastfrequenz angepasst werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Ausgeben des Schaltsignals für das Schaltelement an der Versorgungsleitung im Wesentlichen gleichzeitig zur Betätigung eines Schaltelements, durch das mindestens einer der Spannungsteiler mit einer Referenzspannung versorgt wird. Die Referenzspannung stellt vorzugsweise ein positives Potential zur Verfügung, so dass negative Anteile im ersten und zweiten Messsignal vermieden werden. Hierdurch wird die Auswertung des ersten und zweiten Messsignals vereinfacht. Somit wird im Wesentlichen instantan ein präzise auswertbares erstes und/oder zweites Messsignal erzeugt.
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Ferner kann im erfindungsgemäßen Verfahren der Betrieb als eine Abfolge von Inaktivphasen und Aktivphasen durchgeführt werden. In den Aktivphasen ist die Referenzspannung und die Stromversorgung des Signalwandlers aktiviert und es werden Messwerte erzeugt. In den Inaktivphasen hingegen ist zumindest die Stromversorgung des Signalwandlers deaktiviert. Vorzugsweise ist die Dauer der Inaktivphasen umso niedriger, je höher die in Leitung vorliegende Stromstärke ist. Folglich liegt bei einer erhöhten Stromstärke in der Leitung eine erhöhte Messfrequenz bzw. Abtastfrequenz vor, so dass durch die erhöhte Anzahl an Messsignalen die Messgenauigkeit steigt. Gleichzeitig wird die Stromaufnahme des Signalwandlers erhöht. Die erhöhte Stromaufnahme des Signalwandlers wird aufgrund der erhöhten Stromstärke kompensiert. Bei einer reduzierten Stromstärke hingegen liegen Messsignale mit erhöhter Genauigkeit vor, da hier über eine verlängerte Dauer abgetastet wird, so dass auch eine Abtastung mit reduzierter Frequenz zu einem hinreichend präzisen Messwerte führt. Infolgedessen liegt eine reduzierte Stromaufnahme des Signalwandlers vor.
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Besonders bevorzugt beträgt in einem Betriebsintervall das Verhältnis der Dauer der Inaktivphasen zur Dauer der Aktivphasen zwischen Null und Zehn. Bei einem Verhältnis von Null liegt somit durchgehender Messbetrieb vor, während bei einem Verhältnis von Zehn die Inaktivphasen zehnmal so lange dauernd wie die Aktivphase, in der Messwerte erzeugt werden. Diese Spanne erlaubt eine vorteilhafte Anpassung an einen weiten Bereich von vorliegenden Stromstärken in der Leitung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei an eine Vielzahl von Einsatzzwecken anpassbar.
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Des Weiteren kann im erfindungsgemäßen Verfahren beim Erzeugen des Messwerts nur das erste Messsignal verwendet, wenn die Stromstärke in der Leitung unterhalb eines ersten Schwellwertes liegt. Bei einer Stromstärke zwischen dem ersten und einem zweiten Schwellwert wird erfindungsgemäß das erste und zweite Messsignal eingesetzt. Die Messsignale sind durch die unterschiedliche Auslegung der beiden Spannungsteiler unterschiedlich skaliert und bilden für unterschiedliche Wertebereiche der Stromstärke eine optimierte Grundlage zur Ermittlung des Messwerts durch den Signalwandler.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Ausführungsformen in den Figuren beschrieben. Es zeigt im Einzelnen
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1 einen Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
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2 ein Zeitdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messverfahrens.
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In 1 ist schematisch der Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 abgebildet, die an einer Leitung 12 angeschlossen ist, in der die vorliegende Stromstärke 52 zu messen ist. Die Verbindung zwischen der Leitung 12 und der Messvorrichtung 10 wird durch einen Messwandler 24 gewährleistet, durch den ein Primär-Messsignal 30 bereitgestellt wird. Des Weiteren wird durch den Messwandler 24 ein Versorgungsstrom 47 induziert, der über eine Versorgungsleitung 32 weitergeleitet wird. Das Primär-Messsignal 30 wird vom Messwandler 24 an eine Erfassungsvorrichtung 14 der Messvorrichtung 10 geleitet und dort einem ersten und einem zweiten Spannungsteiler 36, 38 zugeführt. Jeder der Spannungsteiler 36, 38 umfasst zwei Widerstände 34, die in Reihe geschaltet sind. Von jedem der Spannungsteiler 36, 38 führt eine Messleitung 25 unmittelbar zu einer Verarbeitungseinheit 16 der Messvorrichtung 10. Dabei zweigen die Messleitungen 25 jeweils zwischen den Widerständen 34 der Spannungsteiler 36, 38 ab. Die Verarbeitungseinheit 16 umfasst eine Auswertungseinheit 20, in der ein Signalwandler 22 angeordnet ist. Über die Messleitung 25 vom ersten Spannungsteiler 36 wird ein erstes Messsignal 26 unmittelbar zu einem ersten Signaleingang 27 des Signalwandlers 22 geleitet. Ferner wird über die Messleitung 25 vom zweiten Spannungsteiler 38 ein zweites Messsignal 28 unmittelbar zu einem zweiten Signaleingang 29 des Signalwandlers 22 geführt.
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Je nach Höhe der in der Leitung 12 anliegenden Stromstärke 52 erfolgt die Auswertung des ersten und/oder zweiten Messsignals 26, 28 zu einem Messwert 42. Die Auswertung der Messsignale 26, 28 erfolgt in der Messvorrichtung 10 getaktet fortlaufend. Die Verarbeitungseinheit 16 der Messvorrichtung 10 umfasst zusätzlich eine Steuereinheit 18, in der ein Taktgeber 44 angeordnet ist. Des Weiteren stellt ein Leiter 45 den Spannungsteilern 36, 38 eine Referenzspannung 40 zu Verfügung, auf die das erste und zweite Messsignale 26, 28 bezogen sind. Der Leiter 45 ist mit einem Schaltelement 49 versehen, durch das der Leiter 45 unterbrochen werden kann. Die Betätigung des Schaltelements 49 am Leiter 45 erfolgt durch Schaltsignale 46, die vom Taktgeber 44 ausgegeben werden. Das Schaltelement 49 am Leiter 45 ist durch eine Kopplung 48 mit dem weiteren Schaltelement 49 verbunden, das an der Versorgungsleitung 32 angeordnet ist. Infolge der Kopplung 48 folgt das Schaltelement 49 an der Versorgungsleitung 32 der Betätigung des Schaltelements 49 am Leiter 45. Die Kopplung 48 setzt eine Betätigung des Schaltelements 49 am Leiter 45 im Wesentlichen verzögerungsfrei in eine Betätigung des Schaltelements 49 an der Versorgungsleitung 49 um. Bei geschlossenen Schaltelementen 49 liegt an den Spannungsteilern 36, 38 die Referenzspannung 40 an, die das Bezugspotential für das erste und zweite Messsignal 26, 28 darstellt, so dass die Messsignale 26, 28 die in der Leitung 12 vorliegende Stromstärke 52 abbilden. Gleichzeitig ist der Signalwandler 22 mit Strom versorgt und ist in der Lage, die Messsignale 26, 28 einzeln oder in Kombination zum Messwert 42 auszuwerten.
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2 zeigt ein Zeitdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens 100. Darin bildet die horizontale Achse die Zeitachse 80 und die vertikale Achse die Größenachse 50. Es ist ein Strom mit einer ansteigenden Stromstärke 52 abgebildet, die in einer nicht näher dargestellten Leitung 12 vorliegt. Die Stromstärke 52 steigt auf einen Grenzwert 53 an und bleibt auf diesem konstant. Ferner zeigt 2 eine Abbildung des Schaltsignals 46, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren 100 durchgeführt wird. Das Schaltsignal 46 ist im Wesentlichen eine Reihe von Rechtecksignalen, die sich zwischen einer Aktivschwelle 54 und einer Inaktivschwelle 56 bewegen. Während einer Aktivphase 55 liegt eine Stromversorgung eines Signalwandlers 22 einer nicht näher dargestellten Messvorrichtung 10 vor und es erfolgt eine Ermittlung eines nicht näher dargestellten Messwerts 42. Sowohl die Aktivphasen 55 als auch die Inaktivphasen 51 weisen Dauern 57, 58 auf, die einstellbar sind. In 2 nimmt die Dauer 57 der Inaktivphasen 51 mit zunehmender Stromstärke 52 ab. Infolgedessen liegt im Bereich des Grenzwertes 53 der Stromstärke 52 ein annähernd durchgehender Messbetrieb vor, der nur von minimalen Inaktivphasen 51 unterbrochen ist. Im Bezugsintervall 60 liegt damit ein annehmendes Verhältnis der Dauern 57 der Inaktivphasen 51 zu den Dauern 58 der Aktivphasen 55 vor.
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Ferner erfolgt die Ermittlung des nicht näher dargestellten Messwerts 42 unterhalb eines ersten Schwellenwertes 64, wird der Messwert 42 nur auf Basis des ersten Messsignals 26 ermittelt. An den Messbereich 61 unterhalb des ersten Schwellenwertes 64 schließt sich ein zweiter Messbereich 62 an, der zwischen dem ersten und zweiten Schwellenwert 64, 65 liegt. Im zweiten Messbereich 62 wird der Messwert 42 mittels des ersten und zweiten Messsignals 26, 28 in Kombination ermittelt. An den zweiten Messbereich 62 schließt sich ein dritter Messbereich 63 an, in dem die Stromstärke 52 in Leiter 12 oberhalb des zweiten Schwellenwertes 65 liegt. Im dritten Messbereich 63 wird der Messwert 42 nur auf Basis des zweiten Messsignals 28 ermittelt. Bei Anstieg der Stromstärke 52 sinken die Dauern 57 der Inaktivphasen 51. Die ansteigende Stromstärke 52 verbessert die Stromversorgung des Signalwandlers, jedoch erfordert eine präzise Messung der Stromstärke 52 eine erhöhte Zahl an Messdurchgängen. Diese wird durch den Rückgang der Dauern 57 der Inaktivphasen 51 erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3710291 A1 [0002]
- DE 102008012545 A1 [0003]
