DE1791011A1

DE1791011A1 - Ammeter

Info

Publication number: DE1791011A1
Application number: DE19681791011
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr-Ing Grosskopf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1968-08-28
Filing date: 1968-08-28
Publication date: 1971-10-14

Description

Strommesser Es ist bekannt zur Messung von Stromstärken Widerstände in den Leitungszug zu schalten und die daran abfallende Spannung z. B. einem Oszillographen zuzuführen. Besonders bei der Messung großer Stromstärken ergibt sich der Nachteil, dab die Widerstände sehr große Abmessungen haben und nur mit erheblichem mechanischem Aufwand in den Leitungszug geschaltet werden können. Weiterhin müssen derartige Nebenwiderstände (Shunts) im allgemeinen in die Erdleitung des Stromkreises geschaltet werden, da der Ossillograph nur beschränkt Potential gegenüber der Umgebung annehmen darf. Ammeter Resistors are known to measure currents to switch into the cable run and the voltage dropping thereon z. B. an oscilloscope to feed. Particularly when measuring high currents there is the disadvantage that that the resistors have very large dimensions and only with considerable mechanical Effort can be switched into the cable run. Furthermore, such Shunts are generally connected to the earth line of the circuit because the ossillograph can only assume a limited potential in relation to the environment allowed.

Weiterhin ist es bekannt zur Messung des Stromes in spannungsführenden Leitungen Stromwandler zu verwenden, die im wesentlichen einen auf der Sekundärseite niederohmig belasteten Transformator darstellen, der zwischen Primär- und Sekundärwicklung besonders gut isoliert ist. Auch für einen derartigen Stromwandler sind umfanereiche Massnahmen erforderlich, um ihm den primärseitig fliegenden Strom zuzuführen. So muß die Leitung, die den zu messenden Strom führt aufgetrennt werden, um den Stromwandler einzuschalten. It is also known to measure the current in live Cables to use current transformers, which are essentially one on the secondary side Represent the transformer with a low resistance load, the one between the primary and secondary winding is particularly well insulated. There are also extensive options for such a current transformer Measures required to supply it with the current on the primary side. So the line that carries the current to be measured must be disconnected to the current transformer to turn on.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strommesseinrichtung zu schaffen, die ohne Auftrennung der Leitung angebracht werden kann, und die geeignet ist, auch rasche Stromänderungen zu erfassen. The invention is based on the object of a current measuring device to create that can be attached without disconnecting the line, and that is suitable is to also record rapid changes in current.

Bis zu einem gewissen Grade wird diese Aufgabe von den sogenannten Zangenstromwandlern, die im wesentlichen aus einem aufklappbaren Eisenkern und einer Sekundärspule bestehen, gelöst. Derartige Stromwandler sind jedoch nur für einen bestimmten engen Strombereich ausgelegt und aufgrund des in ihnen verwenaeten Eisenkernes nicht geeignet, mit hoher Genauigkeit rasche primärseitige Stromänaerungen auf die Sekundärseite zu übersetzen. Auch diese Zangenstromwandler sind sekundärseitig mit einem geringen Widerstand belastet, so daß der Sekundärstroi dem Primärstrom proportional wird. To a certain extent, this task is carried out by the so-called Clip-on current transformers, which essentially consist of a hinged iron core and a Secondary coil exist, solved. However, such current transformers are only for one certain narrow current range and due to the iron core used in them not suitable for rapid current changes on the primary side with high accuracy Translate secondary side. These clip-on current transformers are also on the secondary side loaded with a low resistance, so that the secondary current proportional to the primary current will.

Im Gegensatz dazu ist die Strommesseinrichtung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule in Verbindung iiteinemOperationsverstärksr verwendet wird und daß die Spule mit konstanter Windungszahl pro Längeneinheit auf einen langgestreckten Körper gewickelt ist, dessen Querschnitt über der Länge konstant ist. Weiterhin ist die Anordnung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß Anfang und Ende der langgestreckten Spule in Arbeitsstellung mechanisch miteinander verbunden werden und daß der Leiter, dessen Stromfluß zu messen ist, durch die von der Spule umfasste Fläche hindurchgeführt ist. In contrast, the current measuring device is according to the invention characterized in that a coil in communication with an operational amplifier is used and that the coil has a constant number of turns per unit length an elongated body is wound, the cross section of which above the length is constant. Furthermore, the arrangement according to the invention is characterized in that that the beginning and end of the elongated coil in the working position mechanically with one another are connected and that the conductor, whose current flow is to be measured, through the of the coil encompassed area is passed.

Eine Spule nach der Erfindung wird man im allgemeinen hochohmig oder garnicht belasten, wobei unter hochohmig zu verstehen ist, daß die Zeitkonstante aus Spuleninduktivität und Belastungswiderstand kurz im Verhältnis zur Dauer der zu messenden Vorgänge ist. Zweckmäßig wird der Querschnitt der Windungsfläche der Spule geringer bemessen als 1/5 der Fläche, die die zu einem Kreis geformte Spule umfasst (Toroidspule). Durch eine derartige Ausbildung der Spule erreicht man, daß eine Lageänderung der Spule relativ zum Leiter, dessen Strom zu messen ist, keinen Einfluß auf die Empfindlichkeit der Xeßschaltung hat.A coil according to the invention is generally high-resistance or do not load at all, with high resistance is to be understood that the time constant from coil inductance and load resistance short in relation to the duration of the processes to be measured. The cross section of the winding surface is expediently the Coil dimensioned less than 1/5 the area that the coil formed into a circle includes (toroidal coil). Such a design of the coil achieves that a change in position of the coil relative to the conductor whose current is to be measured does not Has an influence on the sensitivity of the measuring circuit.

Da die Ausgangsspannung der Spule der zeitlichen wanderung des zu messenden Stromes proportional ist, wird der Operationsverstärker nach der Erfindung in an sich bekannter Weise als Integrator geschaltet. Derartige Integratoren haben jedoch im allgemeinen den Nachteil, daß sich die Auagangsspannung mit der Zeit ändert, auch wenn keine Eingansspannung anliegt (Drift). Diese Drift kann erfindunOsgemäß erheblich vermindert werden, wenn parallel zum Integrationskondensator ein Widerstand geschaltet wird. Dieser Widerstand ist so zu bemessen, daß die Zeitkonstante, die sich als Prudukt aus Kapazität und Widerstand ergibt, lang ii Vergleich sur Dauer der zu messenden Vorgänge ist.Since the output voltage of the coil of the temporal migration of the to measuring current is proportional, the operational amplifier according to the invention connected in a manner known per se as an integrator. Have such integrators but in general the disadvantage that the output voltage changes with time, even if there is no input voltage (drift). This drift can according to the invention can be significantly reduced if a resistor is parallel to the integration capacitor is switched. This resistance is to be dimensioned so that the time constant that results as the product of capacitance and resistance, long ii comparison over duration of the processes to be measured.

In weiterer Ausbildung der Erfindung erscheint es zweckmäßig, den Operationsverstärker mit einer Batterie zu betreiben. Ausserdem sollte eine Anzeigevorrichtung zur Prüfung des Batterieladezustandes vorgesehen werden. Spule und Operationsverstärker können über ein abgeschirmtes Kabel vorzugsweise ein Koaxialkabel miteinander verbunden werden. Dadurch erhält man eine Verbindungsmöglichkeit von der Me#stelle, die sich s. B. in einer Hochspannungsanlage oder in einem Leistungsschalter befinden kann, zum Anzeigegerät hin. Einstreuungen, die auf das an die Spule angeschlossene Kabel treffen, wirken sich auf den Mesavorgang praktisch nicht zw, da sie ii allgemeinen hochfrequent sind und bei Integration unterdrUckS werden.In a further embodiment of the invention, it appears expedient to operate the operational amplifier with a battery. In addition, a display device for checking the battery charge status should be provided. The coil and the operational amplifier can be connected to one another via a shielded cable, preferably a coaxial cable. This provides a connection option from the measuring point, which can be located, for example, in a high-voltage system or in a circuit breaker, to the display device. Interferences affecting the Cables connected to the coil have practically no effect on the mesa process, since they are generally high-frequency and are suppressed during integration.

Die Figuren zeigen Beispiele für die Ausführung der Brtindun6.The figures show examples of the execution of the Brtindun6.

Figur 1 zeigt eine Anordnung nach der Erfindung bei der eine flexible Spule mit einem Operationsverstärker zusammengeschaltet ist.Figure 1 shows an arrangement according to the invention in which a flexible Coil is interconnected with an operational amplifier.

Figur 2 zeigt eine Toroidspule.Figure 2 shows a toroidal coil.

In Figur 3 sind die Enden der Spule vergrößert und im Schnitt dargestellt. In Figure 3, the ends of the coil are enlarged and shown in section.

Figur 4 zeigt eine St-eckeranerdnung mit den eingeführten Enden der Spule im Schnitt.FIG. 4 shows a plug connection with the inserted ends of the Coil in section.

Figur 5 zeigt eine aus einem Bandleiter gewickelte Spule.FIG. 5 shows a coil wound from a strip conductor.

Figur 6 zeigt die Anordnung nach Figur Sim Schnitt Figur 1 zeigt die Spule 16, die erfindungsgemä# mit einem Operationsverstärker zusammen benutzt wird. Die Spule umfasst den Leiter 17, dessen Stromfluß gemessen werden soll. Der Operationsverstärker ist mit seinem negativen Eingang über einen Widerstand 18 mit der Spule und über einen Kondensator 20 mit seinem Ausgang verbunden. Der Widerstand 23 ist so groß bemessen, daß die Zeitkonstante aus Widerstand 23 und Kondensator 20 lang im Vergleich zur Dauer der zu messenden Vorgänge ist. Der Operationsverstärker ist so auszuwählen, da# die Offsetspannung, die sich am Ausgang 22 ergibt1 So erhält man eine Anordnung, die frei von Drift der Ausgangsspannung ist.Figure 6 shows the arrangement according to Figure Sim section Figure 1 shows the Coil 16, which according to the invention is used together with an operational amplifier. The coil comprises the conductor 17, the current flow of which is to be measured. The operational amplifier is with its negative input via a resistor 18 to the coil and via a capacitor 20 connected to its output. The resistance 23 is so great dimensioned that the time constant of resistor 23 and capacitor 20 long in comparison the duration of the processes to be measured. The operational amplifier is to be selected so da # the offset voltage that results at output 221 This gives an arrangement which is free from drift of the output voltage.

Der Widerstand 21 dient dem Abgleich des Spannungsuffsets und kann auch in an sich bekannter Seise an einen Spannungsteiler zur Einstellung einer Gleichspannung gelegt werden.The resistor 21 is used to adjust the voltage suffe set and can also in a known Seise to a voltage divider for setting a DC voltage be placed.

Die in Figur 2 @enauer dargestellte Spule besteht aus einem flexiblen Spulenkörper 1 auf den die Wicklung 2 mit den Anschlu#drähten 3 aufgebracht ist.The coil shown in Figure 2 @enauer consists of a flexible one Coil body 1 on which the winding 2 with the connecting wires 3 is applied.

Figur x zeigt die Enden dieser Spule vergrö#ert und im Schnitt. Auf dem Spulenkörper 1 liegt die Wicklung 2. Der Spulenkörper ist innen hohl und in seiner Aonse ist der Draht 4 in an sich bekannter Weise (vergleiche die Dissertation Salge Th. 3raunschweig gefübrt, so daß beide Drähte und 5 an einem Ende der Spule zusammen Durch die Rückführung des Leiters 4 in der Achse des Spulenkörpers vermeidet man, daß die Spule selest eine grobe Windung bildet. Die gleiche Wirkung ergibt sich durch zweilage Ausführung der Wicklung. ie erläuterte langgestreckte flexible Spule :ß zur Messung des Stromes in einem beliebigem Leiter in an sich bekannter Weise um diesen Leiter herumgelegt werden. Um einen konstanten Kopplungsfaktor zwischen dem zu /klein im Vergleich zum Spannungshub des Ausgangs it. messenden Strom und der Spule zu erhalten, sind die beiden in Figur 3 dargestellten Enden 8 und 9 der Spule nahe aneinander zu bringen. Die in Figur 3 ebenfalls dargestellte koaxiale Anordnung 7 erleichert die Benutzungderartiger Spulen. Gemäß der Erfindung ist das Spulenende 8, das die beiden Anschlu#drähte d und 5 trägt. mit einer Vergusamasse 10 fest mit der koaxialen Steckeranordnung verbunden. Das andere y der Spule ist in die Anordnung nur eingesteckt und wird von der federnden Masse 11 gehalten. Zur Befestigung des Endes 8 dient die Vergußmasse 10. Der Innenleiter 6 des Steckers ist mit einer Vergußmasse 15 befestigt.Figure x shows the ends of this coil enlarged and in section. The winding 2 lies on the bobbin 1. The bobbin is hollow on the inside and the wire 4 is in its response in a manner known per se (compare the dissertation Salge Th. 3raunschweig gefübrt so that both wires and 5 at one end of the coil come together The return of the conductor 4 in the axis of the coil body avoids that the coil itself forms a coarse turn. The same effect results from a two-layer design of the winding. ie explained elongated flexible coil: ß to measure the current in any conductor in a known manner around this conductor. In order to maintain a constant coupling factor between the too / small compared to the voltage swing of the output it. To obtain the measuring current and the coil, the two ends 8 and 9 of the coil shown in FIG. 3 are to be brought close to one another. The coaxial arrangement 7 also shown in FIG. 3 facilitates the use of such coils. According to the invention, the coil end 8, which carries the two connecting wires d and 5. with a grouting compound 10 firmly with the coaxial Connector arrangement connected. The other y of the coil is only inserted into the arrangement and is held by the resilient mass 11. The potting compound 10 is used to fasten the end 8. The inner conductor 6 of the plug is fastened with a potting compound 15.

Zur Anwendung bei hohen Frequenzen ist eine Ausführung der Spulenwicklung nach Figur S geeignet. Hierbei ist die Wicklung aus einem Bandleiter 12 auf den Spulenkörper 1 aufgebracht, der wiederum innen hohl ist und bei dem der Innenleiter 13 ein Hohlzylinder ist. Wie aus Figur 5 erkenntlich ist, hat der Innenleiter einen Längsschlitz 14.One version of the coil winding is for use at high frequencies suitable according to figure S. Here, the winding of a strip conductor 12 is on the Applied coil body 1, which in turn is hollow inside and in which the inner conductor 13 is a hollow cylinder. As can be seen from Figure 5, the inner conductor has one Longitudinal slot 14.

Durch geeignete Wahl der Dicke des Spulenkörpers 1 aus Isolierstoff und der Durchmesser von Innenleiter und Wicklung sowie der Breite der Bandleiter 12 hat man es in der Hand, den Wellenwiderstand, den man zwischen den Anschlüssen der Spule misst, dem Wellenwiderstand einer an die Spule antuschließenden Leitung anzupassen. Diese neuartige Anordnung gestattet eine Verwendung der an sich bekannten Toxidspulen zur Strommessung auch bei sehr hohen Frequenzen.By suitable choice of the thickness of the bobbin 1 made of insulating material and the diameter of the inner conductor and winding as well as the width of the strip conductor 12 you have it in your hand, the wave resistance that you have between the connections of the coil measures the characteristic impedance of a line connected to the coil adapt. This novel arrangement allows use of those known per se Oxide coils for current measurement even at very high frequencies.

Figur 7 zeigt eine Anordnung nach der Erfindung, die mit einen für Langzeitintegrationen vervollkommneten Integrator ausgerüstet ist. Von Spule 16 bis Operationsverstärker 19 entspricht sie der Figur tu;e - l£flh ist der Operationsverstärker 25 vorgesehen, der mit den Verstärkerwiderständen 24 und 26 beschaltet ist und den Gleichstrommotor 30 speist. Mit dem Motor gekoppelt ist ein Generator 31 und ein wahlweise über 4*tri riabe angeschlossenes Potentiometer 33. Das Potentiometer erhält von der Spannungsquelle 32 eine Gleichspannung.Figure 7 shows an arrangement according to the invention, which with a for Long-term integrations perfected integrator is equipped. From coil 16 up to operational amplifier 19 it corresponds to the figure tu; e - l £ flh is the operational amplifier 25 is provided, which is connected to the amplifier resistors 24 and 26 and the DC motor 30 feeds. A generator 31 and a are coupled to the engine optionally via 4 * tri riabe connected potentiometer 33. The potentiometer receives from the voltage source 32 a DC voltage.

Steigt der Strom im Leiter 17 an, so baut sich am Ausgang des Operationsverstärkers 19 eine Gleichspannung auf. Sie gelangt e e *t Motor 30 und setzt diesen in Bewegung. Dreht sich der Motor, so gib: der Generator 31 eine dem Drehweg proportionale Spannungszeitfläche ab, die üher den Widerstand 29 eine dem Drehweg proportionale Ladung auf den Kondensator 20 einspeist.Durch die dargestellte Schaltung ist sichergestellt, daß der Motor sich gerade so lange beregt, bis die vom Generator eingespeiste Ladungsmenge die Ladungsmenge, die über den Widerstand 18 von der Spule 16 auf den Kondensator geflossen ist, kompensiert. Spannungsabgabe des generators, Spannung der Quelle 32, über setzung zwischen Generator und Pontentiometerwelle, und Widerstand 29 sind so aufeinander abgestimmt, daß einer Ausgangs-spannung am Operationsverstärker 19 eine gleichgroße, entgegengesetzt gepolte Spannung am Potentiometerabgriff entspricht. Der Operationsverstärker 28 erhält an seinen beiden Eingängen auf diese Weise zwei verschiedene Spannungen; die eine Spannung. stammt von dem als Integrator für kurzzeitige Vorgänge wirkenden Kondensator 20 und die andere von dem als Integrator wirkenden Motor-Generator mit Potentionmeter. für~Langzeitvorgänge Die Anordnung nach Figur 7 ist für sehr lange Me#zeiten gesignet, und kann ausserdem kurzzeitige Stromänderungen aufnehmen, wobei die als Vorintegrator anzusehende Einheit mit dem Operationsverstärker 19 die obere und die Einheit mit dem Verstärker 25 und dem Motor-Generator die untere Grenzfrequenz der Gesamtanordnung bestimmt. Die untere Grensfrequenz ist bei diese Aufbau praktisch Null, da Drift sich nicht auf den Ausgang auswirken kann.If the current in conductor 17 increases, it builds up at the output of the operational amplifier 19 a DC voltage. It arrives at e * t motor 30 and sets it in motion. If the motor rotates, then the generator 31 gives a voltage-time area proportional to the rotational path from which over the resistor 29 a charge proportional to the rotational path on the capacitor 20 feeds. The circuit shown ensures that the motor rain just long enough for the amount of charge fed in by the generator to reach the Amount of charge which flowed from the coil 16 to the capacitor via the resistor 18 is, compensated. Voltage output from the generator, voltage from the source 32, translation between generator and pontentiometer shaft, and resistor 29 are coordinated so that an output voltage at the operational amplifier 19 corresponds to an equally large, oppositely polarized voltage at the potentiometer tap. The operational amplifier 28 thus receives two inputs at its two inputs different tensions; the one tension. comes from acting as an integrator for short term Processes acting capacitor 20 and the other of the acting as an integrator Motor generator with potentiometer. for ~ long-term processes The arrangement according to figure 7 is signed for very long measuring times, and can also be used for short-term current changes record, the unit to be regarded as a pre-integrator with the operational amplifier 19 the upper one and the unit with the amplifier 25 and the motor generator the lower one Cutoff frequency of the overall arrangement is determined. The lower limit frequency is at this Build-up practically zero as drift cannot affect the output.

Die Anordnung nach Figur 8 zeigt die Spule 16, an die über Trimmerwiderstände 37 und 38 das Kabel 39 und daran der Spannungsteiler mit Widerständen 40 angeschlossen ist. Der Teilerausgang ist über aen Widerstand 41 mit dem invertlerenden Eingang des Verstärkers verbunden. Dir WiderstiNde 37 und 38 gestatten es, die Empfindlichkeit der Spule und ihren Innenwiderstand auf einen vorgegebenen Sollwert einzustellen. Sie sind zwischen Spule und kabel angeordnet, damit das Kabel nicht die Spule kapazitiv belastet. So werden Reeonanziohwingunge vermieden. The arrangement according to FIG. 8 shows the coil 16 to which the cable 39 and the voltage divider with resistors 40 are connected via trimmer resistors 37 and 38. The divider output is connected via a resistor 41 to the inverting input of the amplifier. The resistors 37 and 38 make it possible to adjust the sensitivity of the coil and its internal resistance to a predetermined nominal value. They are arranged between the coil and the cable so that the cable does not put a capacitive load on the coil. This avoids resonance vibrations.

Die Widerstände 40 dienen der Zeßbereichaumschaltung. Bei der oberen Schalterstellung 41 erlangt der ständig wirksame Widerstand 41 Bedeutung, der verhindert, daß der Verstärkereingang unmittelbar mit der Kabelkapazität verbunden wird. Auf diese Weise wird Schwingneigung des Operationsverstärkers vermieden.The resistors 40 are used to switch the metering range. At the top Switch position 41, the constant effective resistance 41 becomes important, which prevents that the amplifier input is connected directly to the cable capacitance. on this avoids any tendency for the operational amplifier to oscillate.

Claims

Patent claims 1. Current measuring device, thereby marked, that a coil is used in conjunction with an operational amplifier, and that the coil with a constant number of turns per unit length on a long stretched Body is wound, the cross-section of which is constant over the length.

2. Current measuring device according to claim 1, characterized in that the elongated coil in working position includes the conductor whose current is measured shall be.

3. Arrangement according to the preceding claims, characterized in that that the coil daratellt a lockable ring with a lock.

4. Arrangement according to the preceding claims, characterized in that that the beginning and end of the coil sit together in the working position.

5. Arrangement according to the preceding claims, characterized in that that the Ruorschnitt the winding surface is less than 1/5 of the area that the includes a coil shaped into a circle.

6. Arrangement according to the preceding claims, characterized in that that the operational amplifier is connected as an integrator in a manner known per se is.

7. Arrangement according to the preceding claims, characterized in that that a resistor is connected in parallel to the integrating capacitor.

6. Arrangement according to the preceding claims, characterized in that that the operational amplifier is operated itt a battery.

9. Arrangement according to the preceding claims, characterized in that that a display device is provided for checking the battery charge status.

10. Arrangement according to the preceding claims, characterized in that that coil and operational amplifier are preferably connected via a shielded cable Coaxial cables are interconnected.

11. Arrangement according to the preceding claims, characterized in that that the coil is made of a conductive material slotted in the longitudinal direction of the coil is enveloped,

12. The arrangement according to claim 11, characterized in that the conductive Material is electrically connected to the cup.

13. Arrangement according to the preceding claims, characterized in that that the wave resistance of the coil corresponds to the wave resistance of the cable or adapted to him.

14. Arrangement according to the preceding claims, characterized in that that the connection from one end of the coil within the winding surface to the other Coil end is returned and that the return conductor as a cylinder with a longitudinal slot is trained.