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Vorrichtung zur Messung hochfrequenter Wechseiströme Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zur Messung hochfrequenter Wechselströme unter Ausnutzung
des magnetischen Feldes des zu messenden Stromes, welche eine einlagige, in eine
beliebige Form biegbare Spule mit gegenüber ihrer Länge kleinem Wicklungsradius
und sehr geringer Wicklungssteigung von konstantem, geradem Querschnitt aufweist,
wobei die Spule als geschlossene Schleife um den Leiter, dessen Stromstärke gemessen
werden soll, gelegt und mit einem RC-Integrationskreis verbunden ist, welcher seinerseits
an ein Meßgerät angeschlossen ist.
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Die Messung nieder-oder mittelfrequenter Wechselströme wird häufig
mittels üblicher Nebenschlußwiderstände oder mittels Stromwandlern durchgeführt.
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Dabei treten jedoch insbesondere bei höheren Frequenzen Nachteile
auf, die allgemein bekannt und im einzelnen in der französischen Patentschrift 1142
618 beschrieben sind.
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Das Prinzip einer Messung des magnetischen Potentials mittels einer
Spule wurde von R o g ow sk y in »Archiv für Elektrotechnik«. Mai 1912, angegeben.
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Es besteht in der Messung der magnetischen Potentialdifferenz zwischen
zwei Raumpunkten, und zwar über den von einer länglichen Spule aufgenommenen Fluß,
wobei die Enden dieser Spule jeweils an diesen beiden Punkten angeordnet sind. Wenn
die beiden Enden zusammengeführt werden, so mißt die Spule den elektrischen Strom
des Leiters, der die auf diese Weise gebildete Windung durchquert.
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Die Messung des Flusses geschieht mittels eines Magnetfußmcssers.
Bei Wechselstrom kann auch die induzierte EMK gewonnen und daraus durch Integration
der Strom erhalten werden. Die induzierte Spannung berechnet sich wie folgt: di
e= = dt = !o Xii X 5 X dt mit e in Volt, wenn t in Sekunden eingesetzt wird, dem
zu messenden Strom i in Ampere. dem Spulenquerschnitt s in Quadratmeter und mit
n als Anzahl der Windungen pro Meter, die mit einem im Verhältais zur Länge I der
Spule geringem Wicklungsschritt regelmäßig gewickelt sind.
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Die von der solenoidförmigen Spule gebildete Windung wird jedoch
von Streuflüssen durchquert, die in die Messung cingehen und eliminiert werden müssen.
Zu diesem Zweck schlägt R o g o w s k y vor. eine zweite Wicklung zu wickeln. die
auf der gebildeten Windung zum Ausgangspunkt der ersten zurückkommt. Es ist dabei
nicht erforderlich, daß
die zweite Wicklung die gleiche Anzahl von Windungen aufweist
wie die erste Wicklung, aber ihr Wicklungsschritt muß gleichermaßen gering sein,
und die Windungen müssen regeimäßig angeordnet sein. Sie ist dann an der Messung
des Stromes beteiligt, und die zu betrachtende Windungsdichte ist (n + ii'), wenn
die Oberflächen praktisch die gleichen sind. Es ist offensichtlich, daß eine Spule
mit einer geradzahligen Anzahl von Schichten zur Verringerung des Einflusses der
Streuflüsse verwendet werden kann. Wenn sich diese Vorrichtung auch ausgezeichnet
zur Messung von niederfrequenten Strömen eignet, so führt sie auf Grund der zwischen
den Windungsschichten bestehenden Streukapazität und der Wicklungsinduktanz mit
größer werdender Frequenz einen zunehmenden Fehler in die Messung ein.
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Es wurde bereits ein zur Strommessung bestimmter magnetischer Spannungsmesser
vorgeschlagen, der aus einem flexiblen, von einer Wicklung aus elektrisch leitendem
Draht (Spannungsmesserwicklung) umhüllten, in vielen Windungen um den den Meßstrom
führenden Leiter geschlungenen Träger und aus einer Gegenwicklung zum Vermeiden
einer von magnetischen Feldern in der durch die Umschlingungen gebildeten Windungsfläche
herrührenden Spannungsinduktion besteht, wobei die Spannungsmesserwicklung einsinnig
gewickelt und ihr Träger durch einen als Rückleiter für die Wicklung dienenden isolierten
Leiter gebildet ist.
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Dieser magnetische Spannungsmesser ermöglicht zwar eine zufriedenstellende
Messung von Strömen üblicher technischer Frequenzen, ist aber zur Messung hochfrequenter
Wechselströme nicht brauchbar, da allein auf Grund der konstruktionsbedingten unvermeidbaren
Störkapazitäten Meßfehler entstehen, die nicht in Kauf genommen werden können. Da
die Größe dieser Störkapazitäten außerdem kaum bestimmbar ist, ist mit einer derartigen
Vorrichtung die Durchführung einer Messung hochfrequenter Wechselströme mit einer
vorgegebenen Meßgenauigkeit praktisch nicht möglich.
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Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Messung
hochfrequenter Wechselströme mit einer vorgegebenen Genauigkeit, die einfach aufgebaut
ist und wirtschaftlich gefertigt werden kann und auf Grund ihrer einfachen Handhabung
vielseitig eingesetzt werden kann.
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Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs angeführten Gattung
wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Rückleiter der Spule
in einem Abstand von der Spule entlang der Spulenmittelachse zentriert geführt ist,
der die für eine vorgegebene Meßgenauigkeit erforderliche Erniedrigung der Störkapazität
gewährleistet.
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Zur Erzielung einer definierten Meßgenauigkeit sind gemäß einer vorteilhaften
Ausführungsform der Erfindung die Eigenfrequenz f0 (in Hertz), der Widerstand ru
(in Ohm), die Reaktanz Le (in (in Ohm) der Spule bei der Frequenz f (in Hertz) des
gemessenen Stromes und der Belastungswiderstand R (in Ohm) des Integrationskreises
verbunden durch die Beziehungen
wobei.w, die Kreisfrequenz des gemessenen Stromes und E der maximal zulässige relative
Fehler des Meßergebnisses in Prozent ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, daß zwischen der Spule und dem Rückleiter ein nicht leitender, nicht magnetischer,
verformbarer Träger mit niedriger Dielektrizitätskonstante angebracht ist, wobei
die Anordnung derart getroffen ist, daß die zwei Enden der Spule aneinandergebracht
und zweitweise aneinandergehalten werden können, so daß eine lückenlose Wicklung
gebildet wird, die den Leiter umgibt, dessen Stromstärke gemessen werden soll.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Isolierhülse
fest an dem einen mit der Meßeinrichtung verbundenen Ende der Spule angebracht und
weist wenigstens einen zylindrischen Preßring auf, dessen Querschnitt etwa dem Querschnitt
der solenoidförmigen Spule entspricht, aber vorzugsweise etwas geringer ist, und
in den das zweite Ende dieser Spule in der Weise einsteckbar ist, daß die einmal
aneinandergebrachten Enden der Spule in dieser Lage gehalten werden.
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Der verformbare Träger besteht vorzugsweise aus einem Meßkoaxialkabel
aus plastischem Material (wie Nylon, Polyäthylen) oder biegsamem Material (Gummi),
dessen Innenleiter den Rückleiter darstellt.
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Die Isolierhülseist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
ein Teil eines Trägerkopfes, der einen Preßring zur Aufnahme eines geschirmten
Koaxialkabels
aufweist, das die Verbindung mit der geschirmten Integrationsvorrichtung herstellt.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen
und der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt-Fig. 1 eine schematische Darstellung
des - Leiters und der Meßvorrichtung, Fig. 2 einen Schnitt entlang der Achse der
Vorrichtung und ihres Integrationskreises, F i g. 3 eine schematische Schnittansicht
der Meßvorrichtung und ihres Integrators in einer Ausführungsvariante, Fig. 4 einen
zur Achse der Spule der Fig. 3 senkrechten Schnitt entlang IV-IV und Fig. 5 eine
schematische Darstellung des elektrischen Kreises.
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In der F i g. 1 fließt ein Strom der Stärke I durch einen Leiter
1. Dieser Strom erzeugt im Punkt A ein Feld H. Eine Wicklung 2 mit konstantem geringem
Wicklungsschritt und mit konstantem kreisförmigem Querschnitt ist teilweise dargestellt.
Ihr axial angeordneter Rückleiter 3 verkörpert die Windung C, die den Leiter 1 in
der Weise umgibt, daß die Spule um 1 eine Schleife bildet. Der die Spule im Punkt
A durchfließende Fluß resultiert aus der tangentialen Komponente Ht des Feldes H
an der Windung C. Die Windung C wird außerdem noch von Streuflüssen p durchquert,
deren Einfluß jedoch beseitigt ist, da sie einmal in Richtung der durch die Spule
definierten Schleife und einmal in der durch die Rückleitersehleife festgelegten
anderen Richtung wirken.
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Die Fig.2 zeigt einen Längsschnitt der Meßvorrichtung und ihres Integrationskreises,
wobei angenommen ist, daß ihre Achsen in einer gleichen Ebene liegen. Die Wicklung
ist hier auf einem zylindrischen Kern 15 aus plastischem Material (Nylon, Polyäthylen
usw.) von kreisförmigem Querschnitt angebracht. Auf der ganzen Länge dieses Zylinders
ist eine Spule 2 angeordnet, die aus einem Draht von geringem Durchmesser besteht
und mit sehr geringem Wicklungsschritt gewickelt ist und die am linken Ende 7 mit
dem Axialleiter 3 verbunden ist.
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Für die Genauigkeit der Messungen ist es sehr wichtig - was dem Fachmann
klar ist, daß der Innenleiter 3 bei der Anwendung genau axial in der Wicklung ist
und bleibt. Die auf diese Weise gebildete Anordnung wird dann mit einer flexiblen,
sich unter Wärmeeinwirkung zusammenziehenden Umhüllung 4 ummantelt, die auf die
Wicklung geschoben wird und deren Durchmesser dann durch Wärmeeinwirkung verringert
wird. Diese im Handel erhältliche Umhüllung hat die Aufgabe, die Spule zu festigen,
sie bei der Handhabung zu schützen und von dem Leiter zu isolieren, an dem die Messung
vorgenommen wird.
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Die Verbindungen erfolgen dann mit der geschirmten Koaxialleitung
8 des Integrators, die so kurz als möglich ausgeführt sein muß, damit die Eigenfrequenz
der Meßvorrichtung nicht erniedrigt wird. Die axialen Leiter sind bei 6 zusammengeführt,
während die Spule mit der Abschirmung 9 der Koaxialverbindung bei 10 verbunden ist.
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Zur Befestigung der beiden Koaxialleiter wird ein Preßring 5 angebracht,
der gleichermaßen aus einem Material bestehen kann, das sich bei Wärme zusammenzieht.
Der linke Teil dieses Preßrings umhüllt die Koaxialkabel 14 und 8 und gewährleistet
eine
dauerhafte feste Verbindung. Sein rechter Teil behält bei der das Zusammenziehen
verursachenden Aufheizung den äußeren Durchmesser der ummantelten Meßvorrichtung,
und zwar so, daß eine Hülse gebildet wird, in die das freie Ende der Spule eingeführt
und durch Reibung festgehalten werden kann. Die Endseiten der Spule liegen dann
mit minimalem Abstand aneinander.
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Der Integratorll besteht aus einem die Abschirmung 12 bildenden Metallgehäuse,
welches den Kreis vor dem Einfluß starker Felder schützt, die in der Nähe der zu
messenden Ströme herrschen. Der Integrator umfaßt einen Widerstand R und eine Kapazität
C. Er ist dann mit der Meßeinrichtung, einem Oszillographen oder einem elektronischen
Voltmeter durch ein geschirmtes Koaxialkabel 13 mit geringem Kapazitätsbelag verbunden.
Der Widerstand R des Integrators liegt in Serie mit den Axialleitern des Verbindungskabels
und des Kabels der Meßeinrichtung. Die Kapazität des Integrators ist zwischen die
Abschirmung des Integrators und den Ausgang des Widerstandes R an der Seite der
Meßeinrichtung geschaltet. Es besteht keinerlei Lücke zwischen der Abschirmung des
Verbindungskabels, der des Integrators und der des Kabels der Meßeinrichtung.
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Die Fig. 3 stellt eine andere Ausführungsform der Vorrichtung dar
und zeigt die Anordnung der Meßvorrichtung 14 um einen Leiter 1, der von einer Stromstärke
1 durchflossen wird. Es ist zu sehen, daß ein Ende der Zylinderspule an der Koaxialverbindung
8 befestigt ist, die in einer senkrechten Ebene liegt, und zwar durch einen Preßring
5, der diesmal biegsam oder starr sein kann. Die Windung C wird wie vorher dadurch
geschlossen, daß die Endseiten 16 und 17 der Spule zusammengeführt werden.
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Die Koaxialverbindung 8 kann hier extrem kurz sein, wobei der Integrator
11 von der Meßschleife losgelöst ist. Eine Koaxialleitung 13 führt zur Meßeinrichtung.
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Die F i g. 4 stellt einen Schnitt entlang IV-IV der F i g. 3 dar,
und dabei ist 3 der axiale Rückleiter, 15 der Träger von kreisförmigem Querschnitt
aus biegsamem plastischem Material, 2 der Schnitt der Spule, wobei eine Windung
dieser Spule gezeigt ist, 4 die Schutzumhüllung, die sich bei Wärmeeinwirkung zusammenzieht,
und 5 der Verbindungspreßring.
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Fig. 5 stellt den elektrischen Kreis dar, der von dem Leiter und
der Meßvorrichtung gebildet wird, wobei die elektrischen Größen lokalisiert dargestellt
sind.
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Al ist die Gegeninduktivität zwischen dem Leiter und der Spule.
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Die Spule (die Koaxialverbindung zum RC-Kreis mit inbegriffen) besitzt
Eigencharakteristiken, die einer Selbstinduktivität Lo, einem Widerstand ro und
einer Kapazität C0 vergleichbar sind.
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Der Integrator wird von einem Widerstand R und einer Kapazität C
gebildet.
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Die Spannung u am Ausgang des Integrationskreises wird entweder an
den Oszillograph oder an das elektronische Voltmeter gegeben. Die Strom stärke ist
zur gemessenen Spannung proportional, und zwar entsprechend einer Eichkonstante,
die von
den Charakteristiken der Meßvorrichtung und des Instegrationskreises abhängt:
k=RC/ , xnxs Aber auf Grund der Kapazität C0 der Vorrichtung, ihrer Selbstinduktanz
Lo als welche mit der Frequenz des gemessenen Stromes wächst, tritt bei der Messung
ein Amplitudenfehler und ein Phasenfehler auf, die in dem Maße größer werden, in
dem die Frequenz von I wächst.
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Gemäß der Erfindung müssen, entsprechend der Frequenz des zu messenden
Stromes und entsprechend der gewünschten Genauigkeit der Messung, die die bereits
dargestellten, elektrischen Charakteristiken des Kreises beeinflussenden Bedingungen
berücksichtigt werden.
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Für höhere Frequenzen als 1 MHz ist es erforderlich, eine Bedingung
anzufügen, die r0, C0 und f als Funktion der gewünschten Genauigkeit verbindet.
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Von dem Erfinder wurde bereits eine derartige Meßvorrichtung hergestellt.
Ihre Charakteristiken werden im folgenden beispielsweise angegeben: Mittlerer Durchmesser
der Spule .......... . .. 3,5 zu 10-3 m Anzahl der Windungen (Drahtdurchmesser 0,1
mm) . 85 102 pro Meter Länge der Spule ...... 18 10 m Kapazität des verwendeten
Koaxialkabels . ... 30 10-12 F pro Meter Länge der Koaxialverbindung ... . ....
7 # 10-2 m damit wird [lo x x n x = 10,25 # 10-8 Als Eichkonstante ergibt sich dann
für RC = 0,5 s = 500 ms k = 5 106A/V = 5000 A/mV für RC = Q5 5 10-3 s = 500 µs k
= 5 103A/V = 5A/mV Die Kapazität, die Selbstinduktivität und die Eigenfrequenz der
Vorrichtung wurden durch die Schwingfrequenz gemessen, die mit Zusatzkapazitäten
von bekanntem Wert erhalten wurde: C0 gesamt gemessen .......... 5,75 10-12 F L0#50
gemessen.. ........ 50 # 10-3 Ohm f, gemessen 52MHz r0 gemessen..... ....... 36
Ohm Mit diesen Werten und gemäß den vorher angegebenen Bedingungen ist einfach festzustellen,
daß dann, wenn man wünscht, daß der relativeAmplitudenuQd Phasenfehler unterhalb
1% liegt, folgende Werte verwendet werden können: Von 500 bis 5000 Hz RC = 50 ms
(R = 100000 t2, C = 0, 5 pF) Die Eichkonstante ist dann k = SOOA/mV.
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Von 5000 bis 50 000 Hz RC = 5 ms (R = 100000 #, C = 50 nF) Die Eichkonstante
ist dann k = 50 A/mV.
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Von 50000 Hz an und bis zu Frequenzen von mehreren hunderttausend
Hertz kann verwendet werden: RC = 500 r*s, k ist dann k = 5 A/mV.
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Nur für den Fall, daß sich die Vorrichtung unter dem Einfluß von
sehr großen, nicht gleichförmigen Streufeldern bis zum Maß des Radius der Spulenwicklung
befindet, könnte dadurch die Genauigkeit beeinflußt werden.
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Es ist zu bemerken, daß andere Ausführungsformen der Vorrichtung
je nach den Bedürfnissen hergestellt werden können. Insbesondere kann die Wicklung
auf ein Koaxialkabel gewickelt werden, dessen Durchmesser mehr oder weniger groß
ist, wodurch der umfaßte Fluß als Funktion der gewünschten Empfindlichkeit verändert
wird.
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Betrachtungen. bezüglich des Raumbedarfs können in gleicher Weise
dem Durchmesser und der Länge der Meßschleife entgegenstehen. Es ist offensichtlich,
daß die Vorrichtung eine beliebige Windungsform annehmen kann und daß ihr geringer
Durchmesser und ihre Biegsamkeit gleichermaßen beispielsweise die Untersuchung der
Stromverteilung im Inneren von großen Leitschienen ermöglichen, und zwar unter der
Bedingung, daß hier der nötige Durchgang vorgesehen wird.