DE102016109276A1

DE102016109276A1 - Measuring device and measuring method for measuring an electric current with a Rogowski coil

Info

Publication number: DE102016109276A1
Application number: DE102016109276.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Hermann Dibos
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2017-11-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms (I) mit einer Rogowski-Spule (2), über die eine analoge Spulenspannung bereitstellbar ist, welche proportional zu der zeitlichen Ableitung des elektrischen Stroms (I) ist, und mit einer Schaltungsanordnung (3) zur Auswertung der Spulenspannung, wobei die Schaltungsanordnung (3) einen mit der Rogowski-Spule (2) verbundenen Komparator (7) umfasst, mit dem ein von der Spulenspannung abhängiges Digitalsignal (10) erzeugbar ist sowie ein entsprechenden Messverfahren.The present invention relates to a measuring device for measuring an electrical current (I) with a Rogowski coil (2), via which an analog coil voltage can be provided, which is proportional to the time derivative of the electrical current (I), and with a circuit arrangement ( 3) for evaluating the coil voltage, wherein the circuit arrangement (3) comprises a comparator (7) connected to the Rogowski coil (2), with which a digital signal (10) dependent on the coil voltage can be generated and a corresponding measuring method.

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Messvorrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms mit einer Rogowski-Spule, über die eine analoge Spulenspannung bereitstellbar ist, welche proportional zu der zeitlichen Ableitung des elektrischen Stroms ist, und mit einer Schaltungsanordnung zur Auswertung der Spulenspannung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Stroms mit einer Rogowski-Spule, über die eine analoge Spulenspannung bereitstellt wird, welche proportional zu der zeitlichen Ableitung des elektrischen Stroms ist, und mit einer Schaltungsanordnung, über welche die Spulenspannung ausgewertet wird. The present invention is based on a measuring device for measuring an electrical current with a Rogowski coil, via which an analog coil voltage can be provided, which is proportional to the time derivative of the electrical current, and with a circuit arrangement for evaluating the coil voltage. Furthermore, the invention relates to a method for measuring an electrical current with a Rogowski coil, over which an analog coil voltage is provided, which is proportional to the time derivative of the electric current, and with a circuit arrangement, via which the coil voltage is evaluated.

Rogowski-Spulen werden auch als Rogowski-Chattock-Spulen oder Rogowski-Steinhaus-Chattock-Spulen bezeichnet. Sie weisen einen toroidförmigen Aufbau auf und werden üblicherweise zur Messung von Wechselströmen verwendet. Zur Messung wird die Rogowski-Spule üblicherweise um den zu messenden Leiter gelegt. Der durch den Leiter fließende Strom erzeugt ein Magnetfeld, welches in der Rogowski-Spule eine Spulenspannung induziert, die proportional zu der zeitlichen Ableitung des Stroms ist. Rogowski coils are also referred to as Rogowski-Chattock coils or Rogowski-Steinhaus-Chattock coils. They have a toroidal structure and are commonly used to measure alternating currents. For measurement, the Rogowski coil is usually placed around the conductor to be measured. The current flowing through the conductor generates a magnetic field which induces a coil voltage in the Rogowski coil which is proportional to the time derivative of the current.

Eine Messvorrichtung mit einer Rogowski-Spule ist beispielsweise aus der DE 10 2012 107 021 B4 bekannt. Die bekannte Messvorrichtung weist eine Schaltungsanordnung auf, über welche die von der Rogowski-Spule bereitgestellte Spulenspannung ausgewertet werden kann. Die Schaltungsanordnung umfasst einen mit der Rogowski-Spule verbundenen Analog-Digital-Wandler, welcher die Spulenspannung abtastet und in ein digitalisiertes Spannungssignal überführt. Die Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers ist allerdings mit einem erheblichen schaltungstechnischen Aufwand verbunden. A measuring device with a Rogowski coil, for example, from DE 10 2012 107 021 B4 known. The known measuring device has a circuit arrangement via which the coil voltage provided by the Rogowski coil can be evaluated. The circuit arrangement comprises an analog-to-digital converter connected to the Rogowski coil, which samples the coil voltage and converts it into a digitized voltage signal. However, the use of an analog-to-digital converter is associated with a considerable circuit complexity.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den schaltungstechnischen Aufwand zu verringern. Against this background, it is an object of the present invention to reduce the circuitry complexity.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch eine Messvorrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms mit einer Rogowski-Spule, über die eine analoge Spulenspannung bereitstellbar ist, welche proportional zu der zeitlichen Ableitung des elektrischen Stroms ist, und mit einer Schaltungsanordnung zur Auswertung der Spulenspannung, wobei die Schaltungsanordnung einen mit der Rogowski-Spule verbundenen Komparator umfasst, mit dem ein von der Spulenspannung abhängiges Digitalsignal erzeugbar ist. The object of the present invention is achieved by a measuring device for measuring an electric current with a Rogowski coil, via which an analog coil voltage can be provided, which is proportional to the time derivative of the electric current, and with a circuit arrangement for evaluating the coil voltage the circuit arrangement comprises a comparator connected to the Rogowski coil, with which a digital signal dependent on the coil voltage can be generated.

Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung erfolgt die Digitalisierung der Spulenspannung über einen Komparator. Der Komparator kann ein Digitalsignal bereitstellen, das abhängig von der Spulenspannung ist. Auf herkömmliche Analog-Digital-Wandler, welche die Spulenspannung abtasten, kann verzichtet werden. Insofern kann durch die Verwendung eines Komparators der schaltungstechnische Aufwand reduziert werden. Zudem kann der Komparator eine hohe Eingangsimpedanz aufweisen, so dass Beeinträchtigungen der Spulenspannung reduziert werden können. In the measuring device according to the invention, the digitization of the coil voltage takes place via a comparator. The comparator may provide a digital signal that is dependent on the coil voltage. On conventional analog-to-digital converters, which sense the coil voltage, can be dispensed with. In this respect, the circuitry complexity can be reduced by the use of a comparator. In addition, the comparator can have a high input impedance, so that deterioration of the coil voltage can be reduced.

Das von dem Komparator erzeugbare Digitalsignal kann anzeigen, ob die Spulenspannung, bzw. die zeitliche Ableitung des zu messende elektrischen Stroms, positiv oder negativ ist. Bevorzugt ist die Rogowski-Spule derart mit der Schaltungsanordnung verbunden, dass die Spulenspannung ausschließlich an dem Komparator anliegt. Bevorzugt sind keine weiteren Komparatoren, mit der Spulenspannung verbunden, so dass die Spulenspannung ausschließlich mit einem einzelnen Referenzwert verglichen werden kann. Das Digitalsignal kann angeben, ob die Spulenspannung größer oder kleiner als der dem Komparator zuführbare Referenzwert ist. Insofern kann das Digitalsignal ein 1-bit-Signal sein. Hierdurch kann ein besonders einfacher Aufbau der Schaltungsanordnung ermöglicht werden. The digital signal which can be generated by the comparator can indicate whether the coil voltage or the time derivative of the electric current to be measured is positive or negative. Preferably, the Rogowski coil is connected to the circuit arrangement such that the coil voltage is applied exclusively to the comparator. Preferably, no further comparators are connected to the coil voltage, so that the coil voltage can be compared exclusively with a single reference value. The digital signal may indicate whether the coil voltage is greater or less than the reference value that can be supplied to the comparator. In this respect, the digital signal can be a 1-bit signal. In this way, a particularly simple construction of the circuit arrangement can be made possible.

Das mit dem Komparator erzeugte Digitalsignal kann digital weiterverarbeitet werden. Bevorzugt wird das Digitalsignal einer digitalen Integriervorrichtung zugeführt, über welchen eine Integration des Digitalsignals in der digitalen Domäne erfolgen kann. Über die digitale Integriervorrichtung kann ein dem zu messenden elektrischen Strom proportionales, digitales Ausgangssignal erzeugt werden. The digital signal generated by the comparator can be further processed digitally. Preferably, the digital signal is supplied to a digital integrating device, via which an integration of the digital signal in the digital domain can take place. Via the digital integrating device, a digital output signal proportional to the electrical current to be measured can be generated.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist dem Komparator als Referenzwert ein von dem Digitalsignal abhängiger Schätzwert zuführbar. Der Schätzwert kann ein Schätzwert des digitalen Ausgangssignals sein, welcher dem zu messenden elektrischen Strom proportional ist. Insofern kann ein digitales Ausgangssignal geschätzt werden, das digitale Ausgangssignal mit der Spulenspannung verglichen werden und das digitale Ausgangssignal entsprechend dem Vergleich korrigiert werden. According to an advantageous embodiment, the comparator can be fed as a reference value an estimate dependent on the digital signal. The estimated value may be an estimate of the digital output signal which is proportional to the electrical current to be measured. In this respect, a digital output signal can be estimated, the digital output signal compared with the coil voltage, and the digital output signal corrected according to the comparison.

Vorteilhaft ist es, wenn die Schaltungsanordnung einen Integrator zum Integrieren des Digitalsignals aufweist. Über den Integrator kann ein Referenzsignal für den Komparator bereitgestellt werden, so dass der Komparator die Spulenspannung mit einem durch Integration des Digitalsignals erhaltenen Referenzsignal vergleichen kann. It is advantageous if the circuit arrangement has an integrator for integrating the digital signal. A reference signal for the comparator can be provided via the integrator so that the comparator can compare the coil voltage with a reference signal obtained by integrating the digital signal.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Integrator als Analogintegrator ausgebildet ist. Der Analogintegrator kann einen Operationsverstärker aufweisen. Der Analogintegrator weist bevorzugt einen Kondensator und einen zu dem Kondensator parallel geschalteten Entladewiderstand auf. An advantageous embodiment provides that the integrator is designed as an analog integrator is. The analog integrator may include an operational amplifier. The analog integrator preferably has a capacitor and a discharge resistor connected in parallel with the capacitor.

Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausgestaltung ist der Integrator als RC-Glied ausgebildet, so dass die Integration des Digitalsignals ohne aktive Komponenten erfolgen kann. Auf diese Weise kann ein kostengünstiger Aufbau des Integrators ermöglicht werden. According to an alternative, advantageous embodiment of the integrator is designed as an RC element, so that the integration of the digital signal can be done without active components. In this way, a cost-effective design of the integrator can be made possible.

Eine weitere alternative Ausgestaltung sieht vor, dass der Integrator als digitaler Integrator ausgebildet ist. Der digitale Integrator kann beispielsweise als rückgekoppelter Addierer, als Zähler oder als Schieberegister ausgestaltet sein. Der digitale Integrator ist bevorzugt in einer CMOS-Technologie ausgebildet, so dass auf eine vergleichsweise teure Bipolartechnologie verzichtet werden kann. A further alternative embodiment provides that the integrator is designed as a digital integrator. The digital integrator can be designed, for example, as a feedback adder, as a counter or as a shift register. The digital integrator is preferably designed in a CMOS technology, so that it is possible to dispense with comparatively expensive bipolar technology.

Als vorteilhaft hat es sich ferner herausgestellt, wenn der der Komparator eine Hysterese aufweist. Insofern kann der Komparator als Schmitt-Trigger ausgestaltet sein. Durch die Hysterese können unerwünschte schnelle Wechsel des Digitalsignals unterdrückt werden. Somit ist es möglich, die Bitrate des Digitalsignals über die Wahl der Hysterese einzustellen. It has also proven to be advantageous if the comparator has a hysteresis. In this respect, the comparator can be designed as a Schmitt trigger. By the hysteresis unwanted fast change of the digital signal can be suppressed. Thus, it is possible to adjust the bit rate of the digital signal through the choice of the hysteresis.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Schaltungsanordnung eine Einrichtung zur Bitratenkonvertierung, insbesondere eine Einrichtung zur Bitratenreduktion, des Digitalsignals auf. Über die Einrichtung zur Bitratenkonvertierung kann die Bitrate des Digitalsignals an nachfolgende Digitalschaltungen, beispielsweise eine digitale Integriervorrichtung, angepasst werden. Die Einrichtung zur Bitratenkonvertierung kann eine Abtasteinheit aufweisen, über welche das Digitalsignal mit einem Zieltakt abtastbar ist. Optional kann ein Tiefpassfilter zur Tiefpassfilterung des Digitalsignals vor der Abtastung vorgesehen sein. Zur Anbindung von Digitalschaltungen, welche mit verringerter Bitrate arbeiten, eignet sich insbesondere eine Einrichtung zur Bitratenreduktion. Die Einrichtung zur Bitratenreduktion kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass aufeinanderfolgende Flanken mit unterschiedlicher Polarität, beispielsweise eine steigende und eine fallende Flanke, aus dem Signalverlauf des Digitalsignals entfernt werden. According to a preferred embodiment, the circuit arrangement has a device for bit rate conversion, in particular a device for bit rate reduction, of the digital signal. By means of the bit rate conversion device, the bit rate of the digital signal can be adapted to subsequent digital circuits, for example a digital integrating device. The means for bit rate conversion may comprise a scanning unit, via which the digital signal can be scanned with a target clock. Optionally, a low pass filter may be provided for low pass filtering the digital signal prior to sampling. In particular, a device for bit rate reduction is suitable for connecting digital circuits which operate at a reduced bit rate. The device for bit rate reduction can be designed, for example, such that successive edges with different polarity, for example a rising edge and a falling edge, are removed from the signal curve of the digital signal.

Die oben genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Stroms mit einer Rogowski-Spule, über die eine analoge Spulenspannung bereitstellt wird, welche proportional zu der zeitlichen Ableitung des elektrischen Stroms ist, und mit einer Schaltungsanordnung, über welche die Spulenspannung ausgewertet wird, wobei die Schaltungsanordnung einen mit der Rogowski-Spule verbundenen Komparator umfasst, mit dem ein von der Spulenspannung abhängiges Digitalsignal erzeugt wird. The above object is further achieved by a method for measuring an electric current with a Rogowski coil, via which an analog coil voltage is provided, which is proportional to the time derivative of the electric current, and with a circuit arrangement, via which evaluates the coil voltage is, wherein the circuit arrangement comprises a comparator connected to the Rogowski coil, with which a voltage dependent on the coil voltage digital signal is generated.

Durch das Verfahren können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung beschrieben wurden. By the method, the same advantages can be achieved as they have already been described in connection with the measuring device according to the invention.

Bei dem Verfahren können die im Zusammenhang mit der Messvorrichtung beschriebenen vorteilhaften Merkmale alternativ oder in Kombination Verwendung finden. In the method, the advantageous features described in connection with the measuring device can be used alternatively or in combination.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken. Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the drawings and from the following description of preferred embodiments with reference to the drawings. The drawings illustrate only exemplary embodiments of the invention, which do not limit the inventive concept.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Blockdiagramm. 1 shows a first embodiment of a measuring device according to the invention in a block diagram.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Blockdiagramm. 2 shows a second embodiment of a measuring device according to the invention in a block diagram.

3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Blockdiagramm. 3 shows a third embodiment of a measuring device according to the invention in a block diagram.

Die 4 bis 7 zeigen verschiedene alternative Ausgestaltungen eines Integrators. The 4 to 7 show various alternative embodiments of an integrator.

8 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Schaltbild. 8th shows a fourth embodiment of a measuring device according to the invention in a circuit diagram.

9 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Schaltbild. 9 shows a fifth embodiment of a measuring device according to the invention in a circuit diagram.

10 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Schaltbild. 10 shows a sixth embodiment of a measuring device according to the invention in a circuit diagram.

11 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Blockdiagramm. 11 shows a seventh embodiment of a measuring device according to the invention in a block diagram.

12 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Blockdiagramm. 12 shows an eighth embodiment of a measuring device according to the invention in a block diagram.

13 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Schaltbild. 13 shows a ninth embodiment of a measuring device according to the invention in a circuit diagram.

14 zeigt ein zehntes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Blockdiagramm. 14 shows a tenth embodiment of a measuring device according to the invention in a block diagram.

15 zeigt ein Schaltbild der Messvorrichtung nach 14. 15 shows a circuit diagram of the measuring device according to 14 ,

16 zeigt ein elftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Blockdiagramm. 16 shows an eleventh embodiment of a measuring device according to the invention in a block diagram.

17 zeigt ein Schaltbild der Messvorrichtung nach 16. 17 shows a circuit diagram of the measuring device according to 16 ,

18 zeigt ein Blockschaltbild eines Mikroprozessors mit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung. 18 shows a block diagram of a microprocessor with a measuring device according to the invention.

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt. In the various figures, the same parts are always provided with the same reference numerals and are therefore usually named or mentioned only once in each case.

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung 1 zum Messen eines elektrischen Stroms I in einem Leiter 4 dargestellt. Die Messvorrichtung 1 weist eine Rogowski-Spule 2 auf, über die eine analoge Spulenspannung bereitstellbar ist, welche proportional zu der zeitlichen Ableitung des elektrischen Stroms I ist. Die Rogowski-Spule 2 umschließt den Leiter 4. Der durch den Leiter 4 fließende Strom I erzeugt ein Magnetfeld, welches in der Rogowski-Spule 2 eine Spulenspannung induziert, die proportional zu der zeitlichen Ableitung des Stroms I ist. Die Spulenspannung liegt über den Anschlusspolen 5, 6 der Rogowski-Spule 1 an. Der erste Anschlusspol 5 ist mit einer Schaltungsanordnung 3 zur Auswertung der Spulenspannung verbunden, der zweite Anschlusspol 6 ist geerdet. In 1 is a first embodiment of a measuring device 1 for measuring an electric current I in a conductor 4 shown. The measuring device 1 has a Rogowski coil 2 via which an analog coil voltage can be provided which is proportional to the time derivative of the electrical current I. The Rogowski coil 2 encloses the leader 4 , The one by the leader 4 flowing current I generates a magnetic field, which is in the Rogowski coil 2 induces a coil voltage which is proportional to the time derivative of the current I. The coil voltage is above the connection poles 5 . 6 the Rogowski coil 1 at. The first connection pole 5 is with a circuit arrangement 3 connected to the evaluation of the coil voltage, the second terminal pole 6 is grounded.

Direkt am Eingang der Schaltungsanordnung 3 erfolgt eine Wandlung der analogen Spulenspannung in ein Digitalsignal 10, so dass alle folgenden Schritte zur Auswertung mittels digitaler Elektronik durchgeführt werden können. Auf eine Eingangsverstärkerstufe kann bei der Schaltungsanordnung 2 verzichtet werden. Die Schaltungsanordnung 3 weist einen mit der Rogowski-Spule 2 verbundenen Komparator 7 auf, mit dem das von der Spulenspannung abhängiges Digitalsignal 10 erzeugbar ist. Bei dem Komparator 7 handelt es sich um eine elektronische Schaltung, deren Ausgangspegel davon abhängig ist, ob ein an einem ersten Eingang 8 des Komparators 7 anliegendes Signal, hier die Spulenspannung, größer oder kleiner als ein an einem zweiten Eingang 9 des Komparators 7 anlegendes Referenzsignal ist. Die Eingänge 8, 9 des Komparators 7 weisen eine hohe Eingangsimpedanz auf, so dass unerwünschte Rückwirkung auf die Spulenspannung möglichst gering gehalten werden können. Right at the entrance of the circuit 3 a conversion of the analog coil voltage takes place in a digital signal 10 so that all subsequent steps can be performed for evaluation by means of digital electronics. An input amplifier stage may be used in the circuit arrangement 2 be waived. The circuit arrangement 3 has one with the Rogowski coil 2 connected comparator 7 on, with the dependent of the coil voltage digital signal 10 can be generated. At the comparator 7 it is an electronic circuit whose output level depends on whether one at a first input 8th of the comparator 7 applied signal, here the coil voltage, larger or smaller than one at a second input 9 of the comparator 7 applying reference signal is. The inputs 8th . 9 of the comparator 7 have a high input impedance, so that unwanted feedback on the coil voltage can be kept as low as possible.

Das Digitalsignal 10 entspricht einer 1-bit-information und kann einer Digitalschaltung 13 zugeführt werden. Bevorzugt weist die Digitalschaltung 13 eine digitale Integriervorrichtung auf, über welche das Digitalsignal 10 zeitlich intergiert werden kann. Da das Digitalsignal 10 der zeitlichen Ableitung des zu messenden elektrischen Stroms I entspricht, kann durch das Integrieren des Digitalsignals 10 ein digitales Signal erhalten werden, welches proportional zu dem zu Strom I ist. The digital signal 10 equates to 1-bit information and can be a digital circuit 13 be supplied. Preferably, the digital circuit 13 a digital integrator over which the digital signal 10 can be integrated temporally. Because the digital signal 10 the time derivative of the measured electric current I, can by integrating the digital signal 10 a digital signal proportional to that of current I is obtained.

Die Schaltungsanordnung 3 weist ferner einen mit dem Ausgang des Komparators 7 verbundenen Integrator 11 auf. Durch zeitliche Integration des Digitalsignals 10 mittels des Integrators 11 ist ein Referenzsignal 12 erzeugbar, welches dem Komparator 7 über den zweiten Eingang 9 zugeführt wird. Der Komparator 7 vergleicht somit die Spulenspannung mit einem Schätzwert, welcher durch Integration des Digitalsignals 10 erhalten wird. The circuit arrangement 3 also has one with the output of the comparator 7 connected integrator 11 on. By temporal integration of the digital signal 10 by means of the integrator 11 is a reference signal 12 producible, which the comparator 7 over the second entrance 9 is supplied. The comparator 7 thus compares the coil voltage with an estimated value obtained by integrating the digital signal 10 is obtained.

In der 2 ist ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Messvorrichtung 1 dargestellt. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel weist der Komparator 7 des zweiten Ausführungsbeispiels eine Hysterese auf. Durch die Hysterese werden schnelle Wechsel des Digitalsignals 10 unterdrückt. Der Ausgang des Komparators wird somit erst dann umgeschaltet, wenn die Differenz der Eingangswerte einen durch die Hysterese vorgegebenen Absolutwert überschreitet. Durch die Wahl der Hysterese kann die Bitrate des Digitalsignals 10 eingestellt werden. Die Bitrate des Digitalsignals 10 wird ferner durch die Verstärkung des Integrators 11 beeinflusst. In the 2 is a block diagram of a second embodiment of a measuring device 1 shown. In contrast to the first embodiment, the comparator 7 of the second embodiment, a hysteresis. Due to the hysteresis, fast change of the digital signal 10 suppressed. The output of the comparator is thus switched over only when the difference of the input values exceeds an absolute value predetermined by the hysteresis. By choosing the hysteresis, the bitrate of the digital signal can 10 be set. The bit rate of the digital signal 10 is further determined by the gain of the integrator 11 affected.

Die 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung 1 mit einer Rogowski-Spule 2 und einer Schaltungsanordnung 3 zur Auswertung der Spulenspannung der Rogowski-Spule 2. Die Schaltungsanordnung 3 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel weist eine Einrichtung zur Bitratenkonvertierung 14 auf, über welche die Bitrate des Digitalsignals 10 an die Erfordernisse der Digitalschaltung 13 angepasst werden kann. Die Einrichtung zur Bitratenkonvertierung 14 kann eine Abtasteinheit aufweisen, welche das Digitalsignal 10 mit einem vorgegebenen Zieltakt abtastet. Optional kann das Digitalsignal vor der Abtastung tiefpassgefiltert werden, um den Alias-Effekt zu vermeiden. Alternativ kann in der Einrichtung zur Bitratenkonvertierung 14 eine Verringerung der Bitrate dadurch erfolgen, dass eine steigende oder eine fallende Flanke des Digitalsignals 10 und die jeweilige darauffolgende gegensätzliche Flanke eliminiert werden. The 3 shows a third embodiment of a measuring device 1 with a Rogowski coil 2 and a circuit arrangement 3 for evaluating the coil voltage of the Rogowski coil 2 , The circuit arrangement 3 according to the third embodiment, a device for bit rate conversion 14 on, over which the bitrate of the digital signal 10 to the requirements of the digital circuit 13 can be adjusted. The device for bit rate conversion 14 may comprise a sampling unit which receives the digital signal 10 scans with a predetermined target tact. Optionally, the digital signal may be low-pass filtered before sampling to avoid the aliasing effect. Alternatively, in the bit rate conversion device 14 A reduction in the bit rate can be achieved by a rising or falling edge of the digital signal 10 and the respective opposite opposite edge are eliminated.

In den 4 bis 7 sind verschiedene Ausgestaltungen des Integrators 11 dargestellt, welche bei sämtlichen beschriebenen Ausführungsbeispielen der Messvorrichtung 1 Verwendung finden können. In the 4 to 7 are different embodiments of the integrator 11 shown, which in all described Embodiments of the measuring device 1 Can be used.

Die 4 zeigt einen Integrator 11, welcher als Analogintegrator ausgebildet ist. Der Analogintegrator ist nach Art eines aktiven Tiefpasses ausgebildet. Der Analogintegrator weist einen Operationsverstärker 15 auf, welcher über Widerstände 17, 18 und einen Kondensator 16 als Integrator beschaltet ist. Der Widerstand 17 wird derart gewählt, dass die Zeitkonstante außerhalb des gewünschten Messbereichs liegt. The 4 shows an integrator 11 , which is designed as an analog integrator. The analog integrator is designed in the manner of an active low-pass filter. The analog integrator has an operational amplifier 15 on, which about resistors 17 . 18 and a capacitor 16 is connected as an integrator. The resistance 17 is chosen such that the time constant is outside the desired measuring range.

In der 5 ist ein Integrator 11 gezeigt, welcher als passiver RC-Tiefpass mit einem Widerstand 19 und einem Kondensator 20 ausgestaltet ist. Die Grenzfrequenz des RC-Tiefpasses wird bevorzugt derart gewählt, dass sie größer ist als die tiefste zu erwartende Frequenz des Messsignals. In the 5 is an integrator 11 shown as a passive RC low pass with a resistor 19 and a capacitor 20 is designed. The cutoff frequency of the RC low-pass filter is preferably chosen such that it is greater than the lowest expected frequency of the measurement signal.

Die 6 zeigt einen mit Bauteilen der Digitalelektronik ausgestalteten Integrator 11. Der Integrator 11 weist einen Summierer 21 und ein Verzögerungsglied 22 auf, über welches das verzögerte Ausgangssignal des Summierers 21 auf den Summierer 21 rückgekoppelt wird. Der Summierer 21 und das Verzögerungsglied sind besonders bevorzugt in einer CMOS-Technologie gefertigt. The 6 shows an integrator designed with components of digital electronics 11 , The integrator 11 has a summer 21 and a delay element 22 over which the delayed output of the summer 21 to the summer 21 is fed back. The summer 21 and the delay element are particularly preferably manufactured in a CMOS technology.

In der 7 ist eine Ausgestaltung des Integrators 11 als Zähler 23 dargestellt. In the 7 is an embodiment of the integrator 11 as a counter 23 shown.

Die 8 zeigt ein Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung 3 einer Messvorrichtung. Der Komparator 7 weist einen Differenzverstärker auf, der aus den Transistoren T8, T9, T10, T11 und den Widerständen R5, R6, R7 gebildet ist. Ferner umfasst der Komparator 7 einen dem Differenzverstärker nachgeschalteten Verstärker mit dem Widerstand R8 und de Transistor T12. Schließlich weist der Komparator 7 eine Ausgangsstufe mit den Transistoren T13 und T14 auf, welche das Digitalsignal 10 ausgeben. Das Digitalsignal 10 ist über einen passiven Integrator auf einen Eingang 9 des Komparators 7 rückgekoppelt. Der Passive Integrator ist nach Art eines RC-Tiefpasses ausgebildet und umfasst einen Widerstand R10, der in Serie mit einer Parallelschaltung eines Kondensators C1 mit einem Widerstand R9 ausgestaltet ist. The 8th shows a circuit diagram of a fourth embodiment of a circuit arrangement 3 a measuring device. The comparator 7 has a differential amplifier formed of transistors T8, T9, T10, T11 and resistors R5, R6, R7. Furthermore, the comparator includes 7 an amplifier connected downstream of the differential amplifier with the resistor R8 and de transistor T12. Finally, the comparator points 7 an output stage with the transistors T13 and T14, which is the digital signal 10 output. The digital signal 10 is via a passive integrator on an input 9 of the comparator 7 fed back. The passive integrator is designed in the manner of an RC low-pass filter and comprises a resistor R10, which is designed in series with a parallel connection of a capacitor C1 with a resistor R9.

In der 9 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung 3 einer Messvorrichtung dargestellt. Der Aufbau dieser Schaltungsanordnung 3 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der Schaltungsanordnung nach dem vierten Ausführungsbeispiel. Allerdings ist die Schaltungsanordnung 3 nach dem fünften Ausführungsbeispiel ausschließlich aus CMOS-Transistoren und diskreten Widerständen R9, R10 und einer diskreten Kapazität C1 ausgestaltet. Hierdurch wird es möglich, die Schaltungsanordnung 3 als integrierte Schaltungsanordnung auszubilden und die Kapazität C1 und die Widerstände R9, R10 als externe Beschaltung 24 der integrierten Schaltungsanordnung 3 vorzusehen. Die die Kapazität C1 und die Widerstände R9, R10 der externe Beschaltung 24 können als SMD-Bauteile ausgebildet sein. In the 9 is a fifth embodiment of a circuit arrangement 3 a measuring device shown. The structure of this circuit 3 corresponds essentially to the structure of the circuit arrangement according to the fourth embodiment. However, the circuitry is 3 according to the fifth embodiment exclusively of CMOS transistors and discrete resistors R9, R10 and a discrete capacitance C1 configured. This makes it possible, the circuit arrangement 3 form as an integrated circuit and the capacitance C1 and the resistors R9, R10 as an external circuit 24 the integrated circuit arrangement 3 provided. The capacitance C1 and the resistors R9, R10 of the external wiring 24 can be designed as SMD components.

Die 10 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung 3 einer Messvorrichtung. Der Aufbau dieser Schaltungsanordnung 3 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der Schaltungsanordnung nach dem vierten und fünften Ausführungsbeispiel. Bei dem sechsten Ausführungsbeispiel ist Kapazität des passiven Integrators, welche das Digitalsignal 10 auf den Eingang 9 rückkoppelt als Gate-Drain-Kapazität (so genannten Miller-Kapazität) eines MOSFET-Transistors T30 ausgebildet. Zu Realisierung des mit der Kapazität in Serie geschalteten Widerstands ist ein MOSFET-Transistor T31 vorgesehen, dessen Gate und Source kurzgeschlossen sind. Die Schaltungsanordnung 3 nach dem sechsten Ausführungsbeispiel kann vollständig als integrierte Schaltungsanordnung, beispielsweise in einer CMOS-Technologie, realisiert werden, d.h. sie erfordert keine externe Beschaltung. The 10 shows a sixth embodiment of a circuit arrangement 3 a measuring device. The structure of this circuit 3 corresponds essentially to the structure of the circuit arrangement according to the fourth and fifth embodiments. In the sixth embodiment, the capacity of the passive integrator which is the digital signal 10 on the entrance 9 feedback is formed as a gate-drain capacitance (so-called Miller capacitance) of a MOSFET transistor T30. To realize the capacitor connected in series with the resistor, a MOSFET transistor T31 is provided whose gate and source are short-circuited. The circuit arrangement 3 According to the sixth embodiment can be fully realized as an integrated circuit arrangement, for example in a CMOS technology, ie it does not require external wiring.

In der 11 ist ein Blockdiagramm eines siebten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zu dem ersten Integrator 11 ein zweiter Integrator 11‘ vorgesehen, der das das Ausgangssignal des ersten Integrators 11 integriert. Die Ausgangssignale des ersten Integrators 11 und des zweiten Integrators 11‘ werden in einem Addierer 25 addiert und dann als Referenzwert dem Eingang 9 des Komparators 7 zugeführt. Insofern wird das Digitalsignal 10 einer Filterung höherer Ordnung unterzogen. Hierdurch kann die Bandbreite gesteigert werden und das SNR erhöht werden. In the 11 a block diagram of a seventh embodiment of a measuring device according to the invention is shown. In this embodiment, in addition to the first integrator 11 a second integrator 11 ' provided that the the output signal of the first integrator 11 integrated. The output signals of the first integrator 11 and the second integrator 11 ' be in an adder 25 added and then as a reference value to the input 9 of the comparator 7 fed. In this respect, the digital signal 10 subjected to a higher-order filtering. This can increase the bandwidth and increase the SNR.

12 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung 1, welches auf dem siebten Ausführungsbeispiel aufbaut. Die Messvorrichtung 1 nach dem achten Ausführungsbeispiel weist zusätzlich einen dritten Integrator 11‘‘ auf, welchem das Ausgangssignal des zweiten Integrators 11‘ zugeführt wird. Der Addierer 25 addiert die Ausgangssignale des ersten Integrators 11, des zweiten Integrators 11‘ und des dritten Integrators 11‘‘. Das Ergebnis wird dem Komparator 7 als Referenzwert zugeführt. 12 shows an eighth embodiment of a measuring device 1 , which builds on the seventh embodiment. The measuring device 1 according to the eighth embodiment additionally has a third integrator 11 '' on which the output signal of the second integrator 11 ' is supplied. The adder 25 adds the output signals of the first integrator 11 , the second integrator 11 ' and the third integrator 11 '' , The result is the comparator 7 supplied as a reference value.

13 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Schaltbild. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Rogowski-Spule 2 bevorzugt einen Schirm 26 auf, welcher geerdet ist. Die Anschlusspole 5, 6 der Rogowski-Spule 2 sind beide mit der Schaltungsanordnung 3 verbunden. Die Schaltungsanordnung 2 ist differentiell ausgebildet. 13 shows a ninth embodiment of a measuring device according to the invention in a circuit diagram. In this embodiment, the Rogowski coil has 2 prefers a screen 26 on which is grounded. The connecting poles 5 . 6 the Rogowski coil 2 are both with the circuitry 3 connected. The circuit arrangement 2 is differentially formed.

Die 14 und 15 zeigen ein zehntes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1. Die Anschlusspole 5, 6 der Rogowski-Spule 2 sind beide mit der Schaltungsanordnung 3 verbunden. Die Schaltungsanordnung 2 ist differentiell ausgebildet. Bei der Schaltungsanordnung 2 nach dem zehnten Ausführungsbeispiel ist ein Integrator 27 in dem Komparator integriert. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Spulenspannung integriert und das Digitalsignal 10 ohne weitere Integration rückgekoppelt. Das Digitalsignal ist nicht proportional zur Ableitung des zu messenden Stroms I sondern proportional zu dem zu messenden Strom I. The 14 and 15 show a tenth embodiment of a measuring device according to the invention 1 , The connecting poles 5 . 6 the Rogowski coil 2 are both with the circuitry 3 connected. The circuit arrangement 2 is differentially formed. In the circuit arrangement 2 according to the tenth embodiment is an integrator 27 integrated in the comparator. In this embodiment, the coil voltage is integrated and the digital signal 10 fed back without further integration. The digital signal is not proportional to the derivative of the current I to be measured but proportional to the current I to be measured.

Die 16 und 17 zeigen ein elftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1. Im Gegensatz zu dem zehnten Ausführungsbeispiel weist die Schaltungsanordnung einen Integrator 11 auf, über welchen das Digitalsignal 10 integriert wird, bevor es rückgekoppelt wird. The 16 and 17 show an eleventh embodiment of a measuring device according to the invention 1 , In contrast to the tenth embodiment, the circuit arrangement has an integrator 11 on, over which the digital signal 10 is integrated before it is fed back.

18 zeigt ein Blockschaltbild eines Mikrokontrollers 27, welcher eine zentrale Recheneinheit CPU aufweist. Die Mikrokontroller weist eine Vielzahl an Einheiten auf, welche über einen internen Bus mit der zentralen Recheneinheit CPU verbunden sind. Bei diesem Mikrokontroller 27 ist eine Auswerteeinheit RSC an den Bus angebunden, welche eine Schaltungsanordnung 2 zur Auswertung der Spulenspannung einer Rogowski-Spule 2 aufweist. Die Auswerteeinheit RSC kann bevorzugt über einen Direct Memory Access-Controller DMA gesteuert werden, so dass von der Auswerteeinheit RSC erzeugte Daten direkt an einen Speicher SRAM oder eine andere Einheit, beispielsweise eine Digital-Filter-Acceleration-Einheit DFA, übergeben werden können. Ferner kann die Auswerteeinheit RSC an einen Interrupt-Controller IRC angebunden sein, um bei Ereignisse, wie beispielsweise dem Überschreiten eines Maximalstroms, durch einen vorgegebenen Interrupt in der zentralen Recheneinheit CPU die Ausführung geeigneter Maßnahmen mit geringem Zeitverzug zu erzwingen. 18 shows a block diagram of a microcontroller 27 which has a central processing unit CPU. The microcontroller has a plurality of units, which are connected via an internal bus to the central processing unit CPU. In this microcontroller 27 an evaluation unit RSC is connected to the bus, which is a circuit arrangement 2 for evaluating the coil voltage of a Rogowski coil 2 having. The evaluation unit RSC can preferably be controlled via a direct memory access controller DMA, so that data generated by the evaluation unit RSC can be transferred directly to a memory SRAM or another unit, for example a digital filter-acceleration unit DFA. Furthermore, the evaluation unit RSC can be connected to an interrupt controller IRC in order to force the execution of suitable measures with little delay in the event of events such as, for example, the exceeding of a maximum current by a predetermined interrupt in the central processing unit CPU.

Die vorstehend beschriebenen Messvorrichtungen 1 zum Messen eines elektrischen Stroms I weisen jeweils eine Rogowski-Spule 2, über die eine analoge Spulenspannung bereitstellbar ist, welche proportional zu der zeitlichen Ableitung des elektrischen Stroms I ist, und eine Schaltungsanordnung 3 zur Auswertung der Spulenspannung auf. Die Schaltungsanordnung 3 umfasst einen mit der Rogowski-Spule 2 verbundenen Komparator 7, mit dem ein von der Spulenspannung abhängiges Digitalsignal 10 erzeugbar ist. The measuring devices described above 1 for measuring an electric current I each have a Rogowski coil 2 , via which an analog coil voltage can be provided, which is proportional to the time derivative of the electrical current I, and a circuit arrangement 3 for evaluating the coil voltage. The circuit arrangement 3 includes one with the Rogowski coil 2 connected comparator 7 , with which a voltage dependent on the coil voltage digital signal 10 can be generated.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102012107021 B4 [0003]

Claims

Measuring device for measuring an electric current (I) with a Rogowski coil ( 2 ), over which an analog coil voltage can be provided, which is proportional to the time derivative of the electrical current (I), and with a circuit arrangement ( 3 ) for evaluating the coil voltage, characterized in that the circuit arrangement ( 3 ) one with the Rogowski coil ( 2 ) comparator ( 7 ), with which a coil voltage dependent digital signal ( 10 ) is producible.

Measuring device according to claim 1, wherein the comparator ( 7 ) as a reference value from the digital signal ( 10 ) dependent estimate ( 12 ) can be fed.

Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the circuit arrangement ( 3 ) an integrator ( 11 ) for integrating the digital signal ( 10 ) having.

Measuring device according to claim 3, via the integrator ( 11 ) a reference signal ( 12 ) for the comparator ( 7 ) is available.

Measuring device according to one of claims 3 or 4, wherein the integrator ( 7 ) is designed as an analog integrator.

Measuring device according to one of claims 3 or 4, wherein the integrator ( 7 ) is designed as an RC element.

Measuring device according to one of claims 3 or 4, wherein the integrator ( 7 ) is designed as a digital integrator, in particular as a feedback adder, as a counter or as a shift register.

Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the comparator ( 7 ) has a hysteresis.

Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the circuit arrangement ( 3 ) a device for bit rate conversion ( 14 =, in particular a device for bitrate reduction, of the digital signal ( 10 ) having.

Method for measuring an electric current (I) with a Rogowski coil ( 2 ), over which an analog coil voltage is provided, which is proportional to the time derivative of the electrical current (I), and with a circuit arrangement ( 3 ), via which the coil voltage is evaluated, characterized in that the circuit arrangement ( 3 ) one with the Rogowski coil ( 2 ) comparator ( 7 ), with which a coil voltage dependent digital signal ( 10 ) is produced.