-
[Technisches Gebiet]
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messgerät, welches mit einem Stromstärkeerfassungsgerät ausgestattet ist, das einen Strom, der in einer Messleitung fließt, mithilfe eines Nullfluss-Verfahrens erfasst, wenn dieser Strom ein Signal mit einer Frequenz ist, die zum Niederfrequenzbereich gehört, und das diesen durch Einsatz von Rückkopplungswicklungen als CT (current transformer) erfasst, wenn dieser Strom ein Signal mit einer Frequenz ist, die zum Hochfrequenzbereich gehört.
-
[Stand der Technik]
-
Als Stromstärkeerfassungsgerät, mit dem die Stromstärke eines Stroms in der elektrischen Leitung, an der zu messen ist, durch ein Nullfluss-Verfahren (Zero-Flux-Verfahren) erfasst wird, hat der Anmelder der vorliegenden Erfindung bereits ein Stromstärkeerfassungsgerät vorgeschlagen, das im nachfolgend angegebenen Patentdokument 1 veröffentlicht wurde. Dieses Stromstärkeerfassungsgerät ist ausgestattet mit einem ringförmigen Magnetkern, ferner mit einem Fluxgate-Magnetsensor, der ein Erfassungssignal abgibt, dessen Amplitude sich proportional zu den Stromstärkewerten des Stroms in der durch den Magnetkern geführten Messleitung verhält, ferner mit Rückkopplungswicklungen, die aus Leitungsdraht bestehen, der außenseitig um den Magnetkern gewickelt ist, ferner mit einem Signalerzeugungsteil, der ein Erregersignal an das Fluxgate-Sensorelement abgibt, ferner mit einem Antriebsteil, der bei Eingabe des Erfassungssignals einen Antriebsstrom, der die Amplitude des Erfassungssignals absenkt, an die Rückkopplungswicklungen liefert, und schließlich mit einem Erfassungswiderstand, der im Strompfad des Antriebsstroms installiert ist, die Antriebsstromstärke in eine Spannung umwandelt und diese dann ausgibt, wobei dieses Stromstärkeerfassungsgerät nach dem Prinzip des Nullfluss-Verfahrens unter Verwendung eines Magnetsensors konzipiert ist. Ferner wird in die Rückkopplungswicklungen zum einen ein Antriebsstrom eingespeist, der vom Wicklungsanfang zum Wicklungsende oder umgekehrt verläuft, und zum anderen sind die Rückkopplungswicklungen bei einem Mittelschicht-Bereich in die ersten Rückkopplungswicklungen auf der Seite des Wicklungsanfangs und die zweiten Rückkopplungswicklungen auf der Seite des Wicklungsendes geteilt. Der Erfassungswiderstand ist zwischen den ersten Rückkopplungswicklungen und den zweiten Rückkopplungswicklungen installiert.
-
[Dokumente zum Stand der Technik]
-
[Patentdokumente]
-
[Patentdokument 1] Patent Nr. 5710380 (Seiten 5- 9, 1-4)
-
[Zusammenfassung der Erfindung]
-
[Problem, das mit der Erfindung gelöst werden soll]
-
Im oben genannten Patentdokument 1 ist dies zwar nicht beschreiben, aber in dem oben genannten Stromstärkeerfassungsgerät erreicht die vom Antriebsteil an die Rückkopplungswicklungen abgegebene Spannung im Hochfrequenzbereich, der den Arbeitsfrequenzbereich, in dem gemäß dem Nullfluss-Verfahren erfasst werde kann, also den Frequenzbereich, in dem der Antriebsteil bei Eingabe des Erfassungssignals vom Magnetsensor den Antriebsstrom, der die Amplitude dieses Erfassungssignals senkt, an die Rückkopplungswicklungen liefern kann (das heißt der Frequenzbereich, in dem der im Magnetkern erzeugte magnetische Fluss Null werden kann) übersteigt, aufgrund des wesentlichen Absinkens der Verstärkung von Magnetsensor und Antriebsteil fast 0 Volt. Dadurch erlangen die beiden Enden der Rückkopplungswicklungen (Endteil der Wicklungsanfangsseite und Endteil der Wicklungsendseite) praktisch das gleiche Potenzial und sind miteinander äquivalent verbunden, so dass die Rückkopplungswicklungen im Hochfrequenzbereich als CT (current transformer) fungieren. Durch diesen Aufbau erfasst das Stromerfassungsgerät den Strom in der Messleitung nach dem Nullfluss-Verfahren, wenn dieser Strom im Niederfrequenzbereich liegt, und arbeitet erfasst den Strom in der Messleitung, indem es als CT fungiert, wenn dieser Strom im Hochfrequenzbereich liegt, wodurch es den durch die Messleitung fließenden Strom in einem breiten Bereich von Nieder- bis Hochfrequenz zu erfassen vermag.
-
Bei diesem Stromstärkeerfassungsgerät werden im Hochfrequenzbereich, in dem die Rückkopplungswicklungen als CT arbeiten, um Resonanzen, deren Entstehung auf Streukapazität der Rückkopplungswicklungen zurückzuführen sind, zu unterdrücken, und um die Frequenzcharakteristik zu verbessern (um den Arbeitsfrequenzbereich nach oben zu erweitern), ein Aufbau gewählt, bei dem ein Resonanzschutzwiderstand jeweils parallel an eine erste Rückkopplungswicklung und eine zweite Rückkopplungswicklung angeschlossen ist. Da in diesem Fall, wenn beim Resonanzschutzwiderstand der Widerstandswert zu hoch ist, der Effekt dieser Resonanzhemmung nicht zur Geltung kommen kann, muss ein relativ kleiner Widerstandswert gewählt werden.
-
Wenn in dem Fall, in dem ein Widerstand mit einem derartig niedrigen Widerstandswert als Widerstand zur Resonanzhemmung verwendet wird, nach dem Nullfluss-Verfahren gearbeitet wird, läuft die Signalkomponente des an den Magnetsensor gelieferten Erregersignals nicht über die Rückkopplungswicklungen, sondern über den Resonanzschutzwiderstand zum Erfassungswiderstand; Bei diesem Stromstärkeerfassungsgerät besteht daher das zu lösende Problem, dass zu befürchten ist, dass das S/N-Verhältnis beim Arbeiten nach dem Nullfluss-Verfahren (im Niederfrequenzbereich) absinkt. Da sich ferner im Hochfrequenzbereich, in dem die Rückkopplungswicklungen als CT arbeiten, neben dem Magnetsensor und dem Antriebsteil auch die Verstärkung des Signalerzeugungsteils stark absinkt, erreicht die Amplitude des Erregersignals etwa den Wert Null. Daher ist der Einfluss der Signalkomponente des Erregersignals auf den Erfassungswiderstand vernachlässigbar.
-
Das Hauptziel dieser Erfindung ist die Bereitstellung eines Stromstärkeerfassungsgeräts, das dieses Problem löst, und das die Funktionsweise nach dem Nullfluss-Verfahren und die Funktionsweise, bei der die Rückkopplungswicklungen als CT fungieren, kombiniert, und gleichzeitig das Absinken des S/N-Verhältnisses bei der Funktionsweise nach dem Nullfluss-Verfahren zu umgehen und die Resonanz in den Rückkopplungswicklungen bei Einsatz der Rückkopplungswicklungen als CT zu hemmen vermag, sowie eines Messegerätes, das mit diesem Stromstärkeerfassungsgerät ausgestattet ist.
-
[Verfahrensweise zur Lösung des Problems]
-
Das Stromstärkeerfassungsgerät gemäß dem Anspruch 1 ist gekennzeichnet dadurch, dass es ausgestattet ist mit einem ringförmigen Magnetkern, durch den eine Messleitung geführt ist, ferner mit einem Magnetsensor, der in den betreffenden Magnetkern integriert ist, und der Erfassungssignale abgibt, deren Amplitude sich proportional zu den Stromstärkewerten des Stroms in der Messleitung ändern, ferner mit Rückkopplungswicklungen, deren Drähte um die Außenfläche des oben genannten Magnetkerns gewickelt sind, ferner mit einem Antriebsteil, der das oben genannte Erfassungssignal erhält und den Antriebsstrom, der die Amplitude des betreffenden Erfassungssignals absenkt, an die oben genannten Rückkopplungswicklungen liefert, und schließlich einem Paar im Strompfad des oben genannten Antriebsstroms installierten Widerstandsanschlüsse zum Anschluss des Erfassungswiderstands für die Umwandlung des betreffenden Antriebsstroms in Spannungswerte, wobei bei den oben genannten Rückkopplungswicklungen der Aufbau so gewählt ist, dass mehrere Wicklungen, die in Umfangsrichtung des oben genannten Magnetkerns verlaufen, in Reihe angeschlossen sind und die Wicklungen jeweils mit Resonanzhemmschaltkreisen parallel geschaltet sind, die eine Reihenschaltung aus einem Ersten Widerstand und einem Kondensator umfassen.
-
Das Stromstärkeerfassungsgerät gemäß Anspruch 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Stromstärkeerfassungsgerät gemäß Anspruch 1 zwischen dem oben genannten Paar Widerstandsanschlüssen der oben genannte Erfassungswiderstand angeschlossen ist.
-
Das Stromstärkeerfassungsgerät gemäß Anspruch 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass es ausgestattet ist mit einem ringförmigen Magnetkern, durch den die Messleitung geführt wird, ferner mit einem Magnetsensor, der in den Magnetkern integriert ist und ein Erfassungssignal abgibt, dessen Amplitude sich proportional zu dem Stromstärkewert des Stroms in der Messleitung ändert, ferner mit Rückkopplungswicklungen, die so gestaltet sind, dass Leitungsdrähte um die Außenflächen des oben genannten Magnetkerns gewickelt sind, ferner mit einem Signalerzeugungsteil, der Erregersignale an den oben genannten Magnetsensor abgibt, ferner mit einem Antriebsteil, der das oben genannte Erfassungssignal erhält und den Antriebsstrom, der die Amplitude des oben genannten Erfassungssignals absenkt, an die oben genannten Rückkopplungswicklungen liefert, und schließlich mit einem Erfassungswiderstand, der im Strompfad des oben genannten Antriebsstroms installiert ist den Antriebsstrom in eine Spannung umwandelt und diese dann ausgibt, wobei die oben genannten Spannungswerte, die durch diesen oben genannten Erfassungswiderstand durch Umwandlung erzeugt werden, als Stromstärkewerte des Stroms in der Messleitung erfasst werden, und wobei ferner die oben genannten Rückkopplungswicklungen so gestaltet sind, dass mehrere Wicklungen, die in Umfangsrichtung des oben genannten Magnetkerns verlaufen, in Reihe angeschlossen sind und die Wicklungen jeweils mit Resonanzhemmschaltkreisen parallel geschaltet sind, die eine Reihenschaltung aus einem Ersten Widerstand und einem Kondensator umfassen.
-
Das Stromstärkeerfassungsgerät gemäß Anspruch 4 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei dem oben angegebenen Stromstärkeerfassungsgerät gemäß einem der Patenansprüche 1-3 die oben genannten Resonanzhemmschaltkreise so aufgebaut sind, dass sie einen Zweiten Widerstand enthalten, dessen Widerstandswert größer ist als derjenige des Ersten Widerstands, und der parallel zur vorgenannten Reheinschaltung geschaltet ist.
-
Das Messgerät gemäß Anspruch 5 ist dadurch gekennzeichnet, dass es ausgestattet ist mit dem oben angeführten Stromstärkeerfassungsgerät gemäß einem der Patenansprüche 1-4, mit einem Datenverarbeitungsteil, der auf der Basis der oben genannten Spannungswerte, die durch den oben genannten Erfassungswiderstand umgewandelt werden, die oben genannten Stromstärkewerte ermittelt, sowie ferner einem Ausgabeteil, der die oben ermittelten Stromstärkewerte ausgibt.
-
Wirkung der Erfindung
-
Durch Anwendung des Stromstärkeerfassungsgeräts gemäß den Patenansprüchen 1, 2, 3 und 4 sowie des Messgeräts gemäß dem Anspruch 5 kann dadurch, dass die Wicklungen, welche die Rückkopplungswicklungen bilden, jeweils mit einem Resonanzhemmschaltkreis parallel geschaltet sind, der einen ersten Widerstand und einen Kondensator in Reihenschaltung enthält, da im Niederfrequenzbereich, in dem es als Stromstärkeerfassungsgerät nach dem Nullfluss-Verfahren fungiert, die Impedanz des Kondensators, der in dieser Reihenschaltung enthalten ist, ausreichend große Werte erreicht (das heißt, da die Impedanz des Resonanzhemmschaltkreises ausreichend groß ist), ein Einfließen der Signalkomponenten der Erregersignale über diesen Resonanzhemmschaltkreis in den Erfassungswiderstand (bzw. im Stromstärkeerfassungsgerät gemäß Anspruch 1 in den Erfassungswiderstand, der an ein Paar Widerstandsanschlüsse angeschlossen ist) deutlich reduziert werden, und das Absinken des S/N-Verhältnisses kann mit Sicherheit vermieden werden. Da ferner im Hochfrequenzbereich, wenn die Resonanzwicklung als CT fungiert, die Impedanz des Kondensators, der in dieser Reihenschaltung vorhanden ist, ausreichend kleine Werte hat (das heißt, da die Impedanz des Resonanzhemmschaltkreises den Widerstandswert des ersten Widerstands [ausreichend kleiner Widerstand] erreicht), kann die Gefahr der Entstehung von Resonanz aufgrund von Streukapazität in den Rückkopplungswicklungen (einzelne Wicklungsdrähte) mit Sicherheit vermieden werden.
-
Da durch Anwendung des Stromstärkeerfassungsgerätes gemäß Anspruch 4 und des Messgerätes gemäß Anspruch 5 beispielsweise entsprechend den Stromstärkewerten des Antriebsstroms (das heißt den Stromstärkewerten des Stroms in der Messleitung) ein Erfassungswiderstand mit passendem Widerstandswert gewählt und an ein Paar Widerstandsanschlüsse angeschlossen werden kann, lässt sich der Messbereich für die Stromstärkewerte des Stroms in der Messleitung erweitern.
-
Durch Anwendung des Stromstärkeerfassungsgeräts gemäß den Patentansprüchen 2, 3 und 4 und des Messgerätes gemäß Anspruch 5 kann, da im Strompfad des Antriebsstroms der Erfassungswiderstand für die Umwandlung dieses Antriebsstroms in Spannungswerte bereits installiert ist, der Aufwand bei Bereitstellung eines separaten Erfassungswiderstands eingespart werden.
-
Figurenliste
-
- [1] Aufbauzeichnung des Stromstärkeerfassungsgerätes 61 und des Messgerätes MS
- [2] Schnittdarstellung der W-W-Ebene aus 1
- [3] Schaltbild des Antriebsteils 6, der Rückkopplungswicklungen 4, des Erfassungswiderstands 7, des Differenzerfassungsteils 8 und des Resonanzhemmschaltkreises 9
- [4] Schaltbild des Antriebsteils 6 A, der Rückkopplungswicklungen 4, des Erfassungswiderstands 7, des Differenzerfassungsteils 8 und des Resonanzhemmschaltkreises 9
- [5] Frequenzkennlinie in Bezug auf die Impedanz des Resonanzhemmschaltkreises 9
- [6] Schaltbild eines anderen Beispiels des Resonanzhemmschaltkreises 9
-
[Formen der Ausführung der Erfindung]
-
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eine Ausführungsform des Stromstärkeerfassungsgerätes und des Messgerätes erläutert.
-
Das Messgerät MS besteht, wie 1 zeigt, aus dem Stromstärkeerfassungsgerät 61 als Stromstärkeerfassungsgerät, dem Datenverarbeitungsteil 62 und dem Ausgabeteil 63 und kann den in der Messleitung 64 fließenden Strom I mit der Stromstärke I1 messen.
-
Das Stromstärkeerfassungsgerät 61 besteht, wie 1 zeigt, aus dem ringförmigen Magnetkern 2 (hier als ein Beispiel kreisringförmig, es kommen aber auch nichtkreisförmige Formen wie unter anderem elliptische oder quadratische Formen in Frage), aus dem Fluxgate-Magnetsensor 3 als Magnetsensor (nachfolgend auch als Magnetsensor 3 bezeichnet), den Rückkopplungswicklungen 4, dem Signalerzeugungsteil 5, dem Antriebsteil 6, dem Erfassungswiderstand 7, dem Differenzerfassungsteil 8 und der dem Resonanzhemmschaltkreis 9. Es gibt ein Stromspannungssignale So aus, dessen Stromspannungswerte V1 sich proportional zu den Stromstärkewerten I1 des Stroms I in der durch den Magnetkern 2 geführten Messleitung 64 ändern.
-
Am Magnetkern 2 ist, wie als Beispiel die 1 und 2 zeigen, ein Hohlraum 21 vorgesehen, der sich in Umfangsrichtung des Magnetkerns 2 erstreckt und der im Innern des Magnetkerns 2 ausgebildet ist. Im Hohlraum 21 befinden sich die später beschriebenen Fluxgate-Sensorelemente 31, die den Magnetsensor 3 bilden.
-
Der Magnetsensor 3 besteht ferner, wie als Beispiel die 1 und 2 zeigen, aus den zwei Fluxgate-Sensorelementen 31a und 31b (nachfolgend, wenn keine spezielle Unterscheidung gemacht wird, auch als „Sensorelemente 31“ bezeichnet), dem Differenzverstärkerteil 32 und dem Synchrondemodulator 33. Jedes Sensorelement 31 ist, was in den Figuren nicht dargestellt ist, als Beispiel jeweils so gestaltet, dass sich auf der Oberfläche eines in gleicher kreisringförmiger Form geformten Isoliermaterials jeweils Empfängerspulen mit gleicher Zahl von Windungen befinden. Die Sensorelemente 31 sind'in Reihe geschaltet, so dass die Wicklungsrichtungen ihrer Empfängerspulen entgegengesetzt verlaufen, und ferner, wie 2 zeigt, übereinanderliegend im Hohlraum 21 des Magnetkerns 2 angeordnet (in den Magnetkern 2 aufgenommen). An die nicht angeschlossenen Enden (Enden der Seiten, mit denen sie nicht aneinander angeschlossen sind) der zwei in Reihe angeschlossenen Empfängerspulen sind die Anschlusskabel 31c und 31d angeschlossen, und an die Anschlussenden der Erfassungswicklungen (Enden der Seiten, mit denen sie aneinander angeschlossen werden) ist das Anschlusskabel 31e angeschlossen, so dass die zwei Erfassungswicklungen über die Anschlusskabel 31c, 31d und 31e an den Differenzverstärkerteil 32 angeschlossen sind.
-
Dieser Aufbau bewirkt, dass die beiden Sensorelemente 31a und 31b, wenn sie vom Signalerzeugungsteil 5 einen später beschriebener Erregerstrom I2 (ein Wechselstrom mit einer bestimmten Frequenz f) erhalten, Erfassungsspannungen Va und Vb mit umgekehrtem Phasenverlauf in den jeweiligen Empfängerspulen erzeugen und die Erfassungsspannungen Va und Vb über die Anschlusskabel 31c, 31d und 31e an den Differenzverstärkerteil 32 abgeben.
-
Der Differenzverstärkerteil 32 ist, wie 1 zeigt, über die Anschlusskabel 31c, 31d und 31e an die Sensorelemente 31 angeschlossen, erhält die von den Sensorelementen 31 ausgegebenen Erfassungsspannungen Va und Vb und erfasst die betreffende Differenzspannung (Va- Vb). Der Differenzverstärkerteil 32 verstärkt die Differenzspannung (Va- Vb) und gibt sie als Differenzsignal S1 weiter. Wenn der Strom I in der durch den Magnetkern 2 geführten Messleitung 64 fließt, ändert sich durch das Magnetfeld, das in der Umgebung der Messleitung 64 entsteht, der Magnetfluss im Magnetkern 2, und demzufolge werden die Amplituden der Erfassungsspannungen Va und Vb verändert. Somit werden die Differenzspannung (Va- Vb) und das Differenzsignal S1 zu amplitudenmodulierten Signalen, deren Signalkomponenten mit der doppelten Frequenz (2f) des Erregerstroms I2 durch die Amplitude des Stroms I moduliert werden.
-
Der Synchrondemodulator 33 gibt dadurch, dass das Differenzsignal S1, das vom Differenzverstärkerteil 32 ausgegeben wird, mit dem später erwähnten Synchronisations-signal (Rechteckwellensignal mit der Frequenz [2f], das mit dem Erregerstrom I2 synchronisiert wurde), synchron demoduliert wird, das Erfassungssignal S3 aus, bei dem sich die Amplitude proportional zum Stromstärkewert I1 des Stroms in der Messleitung 64 ändert.
-
Die Rückkopplungswicklungen 4 sind, wie 2 zeigt, so gestaltet, dass die Sensor-elemente 31 bedeckt sind, wobei mehrere Wicklungsdrähte (hier als ein Beispiel die zwei Wicklungsdrähte 4a und 4b), die in Umfangsrichtung des Magnetkerns 2 verlaufen, an der Außenfläche des Magnetkerns 2 angeordnet sind. Die Wicklungsdrähte 4a und 4b sind, wie 2 zeigt, so gestaltet, dass der Leitungsdraht 41 an der Außenfläche des Magnetkerns 2 in gleicher Wicklungsrichtung mit der gleichen Windungszahl gewickelt gewunden ist. 2 ist eine Schnittdarstellung in der Ebene, die orthogonal zur Umfangsrichtung des Bereichs des Magnetkerns 2 liegt, in dem der Wicklungsdraht 4b angeordnet ist, und dient dazu, den inneren Aufbau des Wicklungsdrahts 4b und des Magnetkerns 2 darzustellen. Auch eine Darstellung einer Schnittebene in demjenigen Bereich des Magnetkerns 2, in dem der Wicklungsdraht 4a angeordnet ist, würde das gleiche Schnittbild ergeben, was jedoch hier nicht gezeigt ist.
-
Wie 1 zeigt, ist beim Wicklungsdraht 4a das eine Ende 42 an den Antriebsteil 6 angeschlossen, während das andere Ende 43 an das eine Ende des Erfassungswiderstands 7 angeschlossen ist. Beim Wicklungsdraht 4b ist das eine Ende 44 an das andere Ende des Erfassungswiderstands 7 angeschlossen, während das andere Ende 45 an das Bezugspotential (Schaltungserdung G) angeschlossen ist. Durch diese Bauweise sind die beiden Wicklungsdrähte 4a und 4 b über den Erfassungswiderstand 7 in Reihe geschaltet.
-
Der Signalerzeugungsteil 5 erzeugt den Erregerstrom I2 als Erregersignal mit Wechselstrom einer bestimmten Frequenz f und gibt ihn an die Sensorelemente 31 weiter. Der Signal-erzeugungsteil 5 erzeugt außerdem synchron zum Erregerstrom I2 ein Signal der Frequenz (2f) und gibt es als Synchronsignal S2 zur Synchronisation an den Synchrondemodulator 33 weiter.
-
Der Antriebsteil 6 erhält das Erfassungssignale S3 vom Synchrondemodulator 33 des Magnetsensors 3, verstärkt es zum Antriebssignal S4 und gibt es an das eine Ende 42 des Wicklungsdrahts 4a, der zu den Rückkopplungswicklungen 4 gehört, weiter. Im vorliegenden Beispiel wird angenommen, dass der Antriebsteil 6, wie 3 zeigt, als Spannungsfolgerschaltung ausgeführt ist, wobei das verstärkte Erfassungssignal S3 im nichtinvertierten Zustand zum Antriebssignal S4 verstärkt und weitergegeben wird. In diesem Fall fließt dadurch, dass vom Antriebsteil 6 das Antriebssignal S4 weitergegeben (angelegt) wird, in den Rückkopplungswicklungen 4 und dem Erfassungswiderstand 7 der Antriebsstrom Id. Im Magnetkern 2 entsteht deshalb dadurch, dass der Antriebsstrom Id in den Rückkopplungswicklungen 4 fließt ein Magnetfluss. Der Antriebsteil 6 regelt die Amplitude (Spannung) des Antriebssignals S4 derart, dass der Magnetfluss, welcher durch das Fließen des Antriebsstroms Id in den Rückkopplungswicklungen 4 im Magnetkern 2 entsteht, den Magnetfluss, welcher durch das Fließen des Stroms I in der Messleitung 64 entsteht, aufhebt (sich also ein Nullflusszustand einstellt), d.h. derart, dass die Amplitude des vom Magnetsensor 3 ausgegebene Erfassungssignals 3 reduziert (0 angenähert) wird.
-
Der Erfassungswiderstand 7 ist, wie die 1 und 3 zeigen, im Strompfad des Antriebsstroms angeordnet, der die Rückkopplungswicklungen 4 enthält, und wandelt den Antriebsstrom Id, der in den Rückkopplungswicklungen 4 fließt, in die Spannung Vd um. Wie oben ausgeführt, wird hier als ein Beispiel der Erfassungswiderstand 7 zwischen der Wicklung 4a und der Wicklung 4b, die die Rückkopplungswicklungen bilden, angeordnet. Die Position der Anordnung des Erfassungswiderstands 7 ist aber nicht hierauf beschränkt, sondern es kann auch beispielsweise ein nicht dargestellter Aufbau verwendet werden, bei dem das andere Ende 43 der Wicklung 4a und das eine Ende 44 der Wicklung 4b direkt miteinander verbunden sind und der Erfassungswiderstand 7 zwischen dem anderen Ende 45 der Wicklung 4b und dem Bezugspotential (Schaltungserdung G) angeordnet ist.
-
Der Differenzerfassungsteil 8 ist an den Erfassungswiderstand 7 angeschlossen und erfasst zum einen die Spannung Vd, die als Spannung zwischen den beiden Enden dieses Erfassungswiderstands auftritt, und gibt sie zum anderen verstärkt als Spannungssignal So aus. Die Resonanzhemmschaltkreise 9 sind, wie die 1 und 3 zeigen, an allen Wicklungen, die zu den Rückkopplungswicklungen 4 gehören (im Beispiel sind es die Wicklungen 4a und 4b), jeweils parallel angeschlossen. Als ein Beispiel ist bei der Resonanzhemmschaltung 9, wie in 3 dargestellt ist, ein Aufbau gewählt, der einen Ersten Widerstand 9a (beispielsweise ein Widerstand in der Größenordnung von 10 kΩ) und einen Kondensator 9b (beispielsweise ein Kondensator in der Größenordnung von 500 pF) in Reihenschaltung enthält.
-
Das wie oben dargelegt aufgebaute Stromstärkeerfassungsgerät 61 erfasst den Strom I, der in der Messleitung 64 fließt, indem es als Nullfluss-Stromstärkeerfassungsgerät, das den Magnetsensor 3 nutzt, arbeitet, wenn der Strom I ein Signal im Niederfrequenzbereich fL (siehe 5) ist, und indem es als Stromstärkeerfassungsgerät, das die Rückkopplungswicklungen 4 als CT nutzt, arbeitet, wenn der Strom I ein Signal im Hochfrequenzbereich fH (siehe 5) ist.
-
In diesem Stromstärkeerfassungsgerät 61 sind der Widerstandswert R1 des Ersten Widerstands 9a und die elektrostatische Kapazität des Kondensators 9b so gewählt, dass die Frequenzcharakteristik der Impedanz der Resonanzhemmschaltung 9 (im vorliegenden Beispiel die Impedanz der Reihenschaltung aus Erstem Widerstand 9a und Kondensator 9b, welche den Resonanzhemmschaltkreis 9 bildet) der durchgezogenen Linie in 5 entspricht. Konkret sind dieser Widerstandswert R1 und dieser elektrostatische Kapazitätswert so gewählt, dass im Niederfrequenzbereich fL, in welchem das Stromstärkeerfassungsgerät 61 als Nullfluss-Stromerfassungsgerät fungiert, und in dem Frequenzbereich, der die Frequenz f des Erregerstroms I2 enthält, die Impedanz-Komponente des Kondensators einen ausreichend hohen Wert hat (ein ausreichend höherer Wert als der Widerstandswert R1), das heißt, dass die Impedanz der Reihenschaltung einen ausreichend hohen Wert hat. Ferner werden dieser Widerstandswert R1 und diese elektrische Kapazität so gewählt, dass im besonders resonanzanfälligen Bereich innerhalb des Hochfrequenzbereichs fH, in dem beim Stromstärkeerfassungsgerät 61 die Rückkopplungswicklungen als CT fungieren, (in der 5 der schraffierte Frequenzbereich) die Impedanzkomponente des Kondensators 9b einen ausreichend kleinen Wert erhält (ausreichend kleinerer Wert als der Widerstandswert R1), so dass die Impedanz der Reihenschaltung den Widerstandswert R1 annimmt. Der Widerstandswert R1 dieses Ersten Widerstands 9a ist so gewählt, dass die oben genannte Resonanz im Hochfrequenzbereich fH mit Sicherheit verhindert (vermieden) wird.
-
Der Datenverarbeitungsteil 62 ist beispielsweise mit A/D-Wandlern, einem Speicher und einer CPU (jeweils nicht dargestellt) ausgestattet und dient zum einen dazu, die Spannungs- werte V1 des Spannungssignals So zu messen, das vom Stromstärkeerfassungsgerät 61 ausgegeben wird, und zum anderen dazu, anhand dieser gemessenen Spannungswerte die Stromstärkewerte I1 des Stroms I, der in der Messleitung 64 fließt, zu berechnen (zu messen). Der Datenverarbeitungsteil 62 gibt den gemessenen Stromstärkewert I1 an den Ausgabeteil 63 weiter.
-
Der Ausgabeteil 63 ist mit einem Display wie z.B. einem LCD o. ä. ausgestattet. Es zeigt auf dem Bildschirm die vom Datenverarbeitungsteil 62 ausgegebenen Stromstärkewerte I1 an. Als Ausgabeteil 62 können anstelle eines Displays verschiedene Schnittstellenschaltungen verwendet werden. Beispielsweise kann auch ein Aufbau gewählt werden, bei dem die Stromstärkewerte I1 mittels Medienschnittstellenschaltung in Wechselmedien gespeichert werden, oder ein Aufbau, bei dem die Stromstärkewerte I1 mittels Netzwerkschnittstellenschaltung über ein Netzwerk an eine externe Vorrichtung übertragen werden.
-
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Stromstärkeerfassungsgeräts 61 sowie des Mess-geräts MS anhand der Figuren erläutert.
-
Wie oben dargelegt, wird im Stromstärkeerfassungsgerät 61 im Niederfrequenzbereich fL zum einen vom Signalerzeugungsteil 5 ein Erregerstrom I2 der Frequenz f an die Rückkopplungswicklungen 4 abgegeben, und zum anderen wird für an den Synchrondemodulator 33 im Magnetsensor 3 vom Fluxgate-Typ das Synchronsignal S2 abgegeben.
-
In diesem Zustand werden geben im Magnetsensor 2 die beiden Sensorelemente 31a und 31b in Reaktion auf den Erregerstrom I2 jeweils die Erfassungsspannungen Va und Vb ab, deren Phasenverlauf jeweils umgekehrt ist, und deren Amplituden sich mit der Stromstärke I1 des in der Messleitung 64 fließenden Stroms I ändern. Der Differenzverstärkerteil 32 erfasst die Differenzspannung (Va- Vb) dieser Erfassungsspannungen Va und Vb und gibt das Differenzsignal S1 weiter. Der Synchrondemodulator 33 demoduliert das Differenzsignal S1 synchron mit dem Synchronsignal S2 und gibt so das Erfassungssignal S3 aus, dessen Amplitude sich proportional zur Stromstärke I1 des in der Messleitung 64 fließenden Stroms I ändert.
-
Danach wird im Antriebsteil 6 zum einen das Erfassungssignal S3, das vom Magnetsensor 3 abgegeben wird, eingegeben und zum anderen zum Antriebssignal S4 verstärkt, und durch Weitergabe desselben an die Rückkopplungswicklungen 4 wird der Antriebsstrom Id an die Rückkopplungswicklungen 4 geliefert. Ferner wird die Amplitude (Spannung) des Antriebssignals S4 so geregelt (das heißt, die Stromstärke des Antriebsstroms Id wird geregelt, dass die Amplitude (Spannung) des Erfassungssignals S3 gesenkt wird (gegen Null geht). Wenn die Amplitude des Erfassungssignals (Spannung) S3 gegen Null geht, tritt ein Zustand ein, in dem der gesamte Magnetfluss, der im Magnetkern 2 entsteht, gegen Null geht, weil der Magnetfluss, welcher im Magnetkern 2 dadurch entsteht, dass der Strom I in der Messleitung 64a fließt, und der Magnetfluss, welcher im Magnetkern 2 dadurch entsteht, dass der Strom Id in den Rückkopplungswicklungen 4 fließt, sich gegenseitig aufheben (Nullflusszustand). Es tritt also ein Zustand ein, in dem der Antriebsteil 6 einen Antriebsstrom Id abgibt, dessen Stromstärkewerte sich proportional zu den Stromstärkewerten I1 des Stroms I verhalten.
-
Anschließend wandelt der Erfassungswiderstand 7, der zwischen den zwei Wicklungen 4a und 4b angeordnet ist, die die Rückkopplungswicklungen 4 bilden, diesen Antriebsstrom Id in die Spannung Vd um, und der Differenzerfassungsteil 8 erfasst diese Spannung Vd und gibt sie als Spannungssignal So weiter. Da, wie oben ausgeführt wurde, ein Zustand bewahrt wird, in dem sich der Stromstärkewert des Antriebsstroms Id proportional zum Stromstärkewert I1 des Stroms I verhält, verhält sich auch beim Spannungssignal So, das vom Stromstärkeerfassungsgerät 61 ausgegeben wird, der Spannungswert V1 (Amplitude) proportional zum Stromstärkewert I1 des Stroms I.
-
Auf diese Weise wird im Niederfrequenzbereich fL, in dem das Stromstärkeerfassungsgerät 61 als Nullfluss-Stromerfassungsgerät fungiert, da, wie oben ausgeführt, die Impedanz des Resonanzhemmschaltkreises (hauptsächlich die Impedanz des Kondensators 9b) ausreichend groß ist, der Fluss der Signalkomponente (Frequenz f) des Erregerstroms I2 über die Resonanzhemmschaltkreise 9, welche zu den beiden Wicklungen 4a und 4b parallel angeschlossen sind, zum Erfassungswiderstand 7 wesentlich reduziert. Dadurch wird es beim Stromstärkeerfassungsgerät 61 möglich, das Absinken des S/N-Verhältnisses sicher zu umgehen, welches auftritt, wenn die Signalkomponente (Frequenz f) des Erregerstroms I2, die bei der Erfassung der Spannung Vd zur Rauschkomponente wird, zum Erfassungswiderstand 7 gelangt.
-
Der Datenverarbeitungsteil 62 misst zum einen den Spannungswert V1 des Spannungssignals So, das vom Stromstärkeerfassungsgerät 61 abgegeben wird, berechnet (misst) zum anderen auf der Basis dieses gemessenen Spannungswertes V1 den Stromstärkewert I1 des Stroms I, der in der Messleitung 64 fließt, und gibt diese Werte an den Ausgabeteil 63 weiter. Der Ausgabeteil 63 zeigt diese Stromstärkewerte I1 auf einem Monitor an. Damit ist die Messung der Stromstärke I1 des Stroms I mit dem Messgerät MS abgeschlossen.
-
Beim Stromstärkeerfassungsgerät 61 arbeiten die Rückkopplungswicklungen 4 im Hochfrequenzbereich fH als CT. In diesem Zustand wird in den Rückkopplungswicklungen 4 proportional zum Magnetfluss, der im Magnetkern 2 entsteht, weil in der Messleitung 64 ein Strom mit der Stromstärke I fließt, eine Spannung induziert, und es fließt proportional zu dieser induzierten Spannung in den Rückkopplungswicklungen 4 und dem Erfassungswiderstand 7 ein Strom. Der Erfassungswiderstand 7 wandelt diesen Strom in die Spannung Vd um, und der Differenzerfassungsteil 8 erfasst diese Spannung Vd und gibt sie als Spannungssignal So weiter. Da sich, wie oben dargelegt, der Stromstärkewert des Stroms, der im Erfassungswiderstand 7 fließt, proportional zum Stromstärkewert I1 des Stromes I verhält, wird auch das Spannungssignal So, das vom Stromstärkeerfassungsgerät 61 ausgegeben wird, zu einem Signal, bei dem sich der Spannungswert V1 (Amplitude) proportional zum Stromstärkewert I1 der Stromstärke I verhält.
-
Der Datenverarbeitungsteil 62 misst (ermittelt) zum einen den Spannungswert V1 des Spannungssignals So, das vom Stromstärkeerfassungsgerät 61 ausgegeben wird, berechnet (misst) zum anderen auf der Basis dieses ermittelten Spannungswertes V1 den Stromstärke- wert I1 des Stroms I in der Messleitung 64 und gibt die Werte an den Ausgabeteil 63 weiter. Der Ausgabeteil 63 zeigt diese Stromstärkewerte I1 auf einem Monitor an. Damit ist die Messung der Stromstärke I1 des Stroms I mit dem Messgerät MS abgeschlossen.
-
Auf der Niederfrequenzseite des Hochfrequenzbereichs fH, in dem die Rückkopplungswicklungen 4 als CT zu arbeiten beginnen, kommt es zu einem Zustand, in dem die Verstärkung des Magnetsensors 3 und des Antriebsteils 6 und auch die Verstärkung des Signalerzeugungsteils 5 sehr gering werden. In diesem Fall kann es zwar auch sein, .dass die Amplitude des Erregerstroms I2, der vom Signalerzeugungsteil 5 abgegeben wird, nicht ausreichend niedrig wird, doch da die Impedanzkomponente des Resonanzhemmschaltkreises 9, wie 5 zeigt, eine Größe bewahrt, bei der die Signalkomponente mit der Frequenz f, die unter dem Einfluss des Erregerstroms I2 in die Rückkopplungswindungen 4 gelangt, ausreichend gedämpft wird, wird die Absenkung des S/N-Verhältnisses umgangen.
-
Andererseits wird im Hauptbereich des Hochfrequenzbereiches fH, in dem die Rückkopplungswicklungen als CT arbeiten (in 5 der schraffierte Frequenzbereich), die Impedanzkomponente des Kondensators 9b des Resonanzhemmschaltkreises 9 ausreichend klein (ausreichend klein gegenüber dem Widerstandswert R1), so dass die Impedanz der Reihenschaltung den Widerstandswert R1 annimmt. Dadurch wird die Resonanz, die aufgrund von Streukapazität in den Rückkopplungswicklungen (Wicklungen 4a und 4b) entstehen könnte, zuverlässig mit Hilfe des Resonanzhemmschaltkreises 9 unterdrückt.
-
Auf diese Weise kann bei der Anwendung dieses Stromstärkeerfassungsgerätes 61 und des Messgerätes MS dadurch, dass mehrere Wicklungsdrähte, die die Rückkopplungswindungen 4 bilden (im oben beschriebenen Beispiel die zwei Wicklungsdrähte 4a und 4b) jeweils mit parallel geschalteten Resonanzhemmschaltkreisen 9 versehen sind, die in Reihenschaltung einen Ersten Widerstand 9a und einen Kondensator 9b enthalten, im Niederfrequenzbereich fL, in dem das Stromstärkeerfassungsgerät 61 als Stromstärkeerfassungsgerät nach dem Nullfluss-Verfahren arbeitet, da die Impedanz des in Reihe geschalteten Kondensators 9b einen ausreichend großen Wert (wenn die Signale des Stroms I Gleichstrom sind oder eine Frequenz haben, die nahe dem Gleichstrom ist, ein sehr großer Wert, der nahe bei unendlich liegt) besitzt (das heißt, da die Impedanz dem Resonanzhemmschaltkreis 9 einen ausreichend hohen Wert aufweist), das Auftreten eines Zustands, in dem Signalkomponente (Frequenz f) des Erregerstroms I2 über diesen Resonanzhemmschaltkreis 9 zum Erfassungswiderstand 7 gelangt, wesentlich reduziert werden, so dass die Senkung des S/N-Verhältnisses mit Sicherheit vermieden werden kann. Da ferner im Hochfrequenzbereich fH, in dem die Rückkopplungswicklungen 4 als CT arbeiten, die Impedanz des Kondensators 9b, der Bestandteil der Reihenschaltung ist, einen ausreichend kleinen Wert aufweist (das heißt, die Impedanz des Resonanzhemmschaltkreises 9 nimmt den Widerstandswert R1 des ersten Widerstands 9a an [ein ausreichend kleiner Widerstandswert]), das Auftretens von Resonanz in den Rückkopplungswicklungen 4 (Wicklungsdrähte 4a und 4b) aufgrund von Streukapazitäten zuverlässig verhindert werden.
-
Der oben genannte Antriebsteil ist nicht auf die oben angegebene Bauweise beschränkt. So kann beispielsweise auch das Antriebsteil 6A gewählt werden, bei dem, wie 4 zeigt, eine Spannungsfolgerschaltung (voltage follower circuit) sowie ein OP-Verstärker (invertierende Verstärkerschaltung) verwendet werden. Bei diesem Antriebsteil 6A wird das Erfassungssignal S3 sowohl in die Spannungsfolgerschaltung, als auch in den OP-Verstärker eingegeben, wobei der Ausgang der Spannungsfolgerschaltung an das Endteil der einen Seite der Rückkopplungswicklungen 4 (das eine Ende 42 des Wicklungsdrahtes 4a) angeschlossen ist, während der Ausgang des OP-Verstärkers an das Endteil der anderen Seite der Rückkopplungswicklungen 4 (das andere Ende 45 des Wicklungsdrahtes 4b) angeschlossen ist. Bei einem Stromstärkeerfassungsgerät 61 und einem Messgerät MS mit diesem Antriebsteil 6A kann die gleiche Wirkung erzielt werden wie bei einem Stromstärkeerfassungsgerät 61 und bei einem Messgerät MS mit dem Antriebsteil 6. Bei den Bauelementen, die die gleiche Funktion haben wie die oben genannten Bauelemente des oben beschriebenen Stromstärkeerfassungsgerätes 61 wurden die gleichen Bezugszeichen verwendet, und die sich wiederholenden Erläuterungen wurden weggelassen.
-
In dem obigen Beispiel besitzt der Resonanzhemmschaltkreis 9 zwar nur die in Reihe geschalteten Bestandteile erster Widerstand 9a und Kondensator 9b, doch ist dies nicht darauf beschränkt. So ist es beispielsweise auch möglich, dass, wie bei dem Resonanzhemmschaltkreis 9, der in 6 dargestellt ist, an diese Reihenschaltung noch einen anderen, einen Zweiten Widerstand 9c, in Reihe anzuschließen. In diesem Fall ist für den Widerstandswert R2 dieses zweiten Widerstands 9c ein größerer Wert als der Widerstandswert R1 vorgeschrieben (ein ausreichend großer Wert, beispielsweise etwa 100 kΩ). Bei der Frequenzcharakteristik der Impedanz dieses Resonanzhemmschaltkreises 9 erreicht die Impedanz zwar auf der Niederfrequenzseite des Niederfrequenzbereiches fL, in dem das Stromstärkeerfassungsgerät 61 als Stromstärkeerfassungsgerät nach dem Nullfluss-Verfahren arbeitet, wie in 5 mit einer gestrichelten Linie gezeigt, zwar ein Maximum, doch, wie oben ausgeführt, kann dadurch, dass für den Widerstandswert R2 ein ausreichend großer Wert gewählt ist, das Auftreten eines Zustands, in dem die Signalkomponente (Frequenz f) des Erregerstroms I2 über diesen Resonanzhemmschaltkreis 9 zum Erfassungswiderstand 7 gelangt, wesentlich reduziert werden, so dass die Senkung des S/N-Verhältnisses mit Sicherheit vermieden werden kann.
-
Als Beispiel für den Magnetsensor 3 wurde ein Magnetsensor vom Fluxgate-Typ angeführt und erläutert, doch ist ein solcher Sensor nicht auf den Fluxgate-Typ beschränkt. Es können auch andere Sensoren verwendet werden, wie beispielsweise Hall-Sensoren. Bei Hall-Sensoren ist auch bekannt, dass sie ein Antriebsverfahren besitzen, bei der ein Erregerstrom als Erregersignal, das dem Hall-Sensor zugeführt wird, durch Schalter umgeschaltet wird, und dass bei diesem Antriebsverfahren in den Schalter-Umschaltzeiten stoßartiges Rauschen auftritt (siehe z. B. Patent 3022957). Daher kann in dem Falle, dass Hall-Sensoren als Magnetsensoren für das Stromstärkeerfassungsgerät 61 eingesetzt werden, u. a. der gleiche Effekt wie bei dem oben beschriebenen Aufbau mit Magnetsensoren vom Fluxgate-Typ erzielt werden, nämlich, dass der Einfluss des stoßartigen Rauschens eingeschränkt wird.
-
Bei dem oben beschriebenen Stromstärkeerfassungsgerät 61 wurde ein Aufbau gewählt, bei dem der Erfassungswiderstand 7 von vornherein an die Rückkopplungswicklungen 4 angeschlossen ist und der Aufwand, einen Erfassungswiderstand 7 separat bereitstellen zu müssen, entfallen kann. Der Aufbau ist jedoch nicht darauf beschränkt. Wenn beispielsweise der Stromstärkewert I1 des Stromes I, der in der Messleitung 64 fließt, ungefähr vorausberechnet werden kann, und wenn sich dieser Stromstärkewert I1 über einen breiten Bereich erstreckt, ist es vorteilhaft, wenn der Aufbau so ist, dass der Erfassungswiderstand 7 mit einem passenden Widerstandswert gewählt werden kann, bei dem der Spannungswert der am Erfassungswiderstand auftretenden Spannung Vd mit den vorgeschriebenen Eingabenennwerten des Differenzerfassungsteil 8 übereinstimmt. Daher ist auch ein Aufbau möglich, bei dem, wie 1 zeigt, am Stromstärkeerfassungsgerät 61 im Strompfad des Antriebsstroms Id jeweils ein Paar Widerstandsanschlüsse 46, 46 angeordnet sind, sodass der Erfassungswiderstand 7 mit dem gewünschten Widerstandswert zwischen diesen Widerstandanschlüssen 46, 46 angeschlossen werden kann.
-
Es sind zwar Beispiele angeführt und erläutert worden, in denen die zwei Wicklungen 4a und 4b in Reihe angeschlossen sind und die Rückkopplungswicklungen 4 bilden, es ist aber, was in den Figuren nicht dargestellt ist, auch ein Aufbau möglich, bei dem drei oder mehr Wicklungsdrähte in Reihe angeschlossen sind und die Rückkopplungswicklungen bilden. Dadurch, dass diese Wicklungsdrähte jeweils mit einem parallel geschalteten Resonanzhemmschaltkreis 9 versehen sind, kann der gleiche Effekt erzielt werden wie oben beschriebene. Als Messgerät MS, das mit einem Stromstärkeerfassungsgerät 61 ausgestattet ist, wurde zwar ein Stromstärkemessgerät angeführt und erläutert, doch als Messgerät MS, das mit dem Stromstärkeerfassungsgerät 61 ausgestattet ist, sind neben einem Stromstärkemessegerät auch verschiedene andere Messgeräte wie beispielsweise Messgeräte für elektrische Leistung denkbar.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- Magnetkern.
- 3
- Magnetsensor
- 4
- Rückkopplungswicklungen
- 4a, 4b
- Wicklungen, Wicklungsdrähte
- 5
- Signalerzeugungsteil
- 6, 6A
- Antriebsteil
- 7
- Erfassungswiderstand
- 9
- Resonanzhemmschaltkreis
- 11
- Messleitung
- 31
- Sensorelement
- 61
- Stromstärkeerfassungsgerät
- I
- Strom, Stromstärke
- I1
- Stromstärkewert
- I2
- Erregerstrom
- I d
- Antriebsstrom
- S 3
- Erfassungssignal
- MS
- Messgerät
- V d
- elektrische Spannung
