DE19606445A1 - Induktive Messvorrichtung zur Messung von einem hohen Gleichstrom überlagerten Wechelstromkomponenten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine induktive Meßvorrichtung zur Messung von Wechselstromkomponenten, die einem hohen, in einem Leiter fließenden Gleichstrom überlagert sind. Die Vorrichtung weist einen magnetischen Kreis auf, der bezüglich mindestens einer seiner Querschnittsebenen praktisch symmetrisch ist und so ausgebildet ist, daß der genannte Leiter durch ihn hindurchgeführt werden kann, wobei dieser magnetische Kreis mit mindestens einer Meßspule gekoppelt ist.

Bei einer solchen induktiven Meßvorrichtung besteht bei hohen Stromintensitäten die Gefahr einer Sättigung des magnetischen Kreises. Andererseits ist ein zur Vermeidung einer Sättigung offener Magnetkreis besonders anfällig für äußere Streufelder.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine induktive Meßvorrichtung der genannten Art zu schaffen, bei der einerseits eine Sättigung vermieden wird und andererseits der Einfluß von äußeren Magnetfeldern auf ein Minimum reduziert wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der magnetische Kreis zwei Luftspalte aufweist, die die gleichen Abmessungen besitzen und zu beiden Seiten der genannten Symmetrieebene liegen, und daß die Meßvorrichtung zwei praktisch identische Meßspulen aufweist, die mit dem magnetischen Kreis gekoppelt sind, sowie einen elektrischen Meßkreis, der so ausgebildet ist, daß sich die in den beiden Meßspulen von den zu messenden Stromkomponenten induzierten Spannungen addieren, wobei der Meßkreis einen Integrationskreis enthält, dem ein der Summe der genannten induzierten Spannungen entsprechender Strom zugeführt wird.

Besondere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 12 beschrieben.

Weitere Einzelheiten, Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungs­ beispiele hervor, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Vorderansicht eines magnetischen Kreises gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung;

Fig. 2 ein vereinfachtes elektrisches Schaltbild des elektrischen Meßkreises der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

die Fig. 3 und 4 jeweils eine Vorder- und eine Seitenansicht eines magnetischen Kreises gemäß Fig. 1 zusammen mit einer Abschirmung;

die Fig. 5 und 6 jeweils eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, und eine Draufsicht des magnetischen Kreises gemäß einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung;

die Fig. 7 und 8 ähnliche Ansichten wie die Fig. 5 und 6 zur Veranschaulichung einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung; und

die Fig. 9 und 10 jeweils eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, und eine Seitenansicht eines abgeschirmten magnetischen Kreises gemäß einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung.

Fig. 1 zeigt einen Leiter 1, der von einem magnetischen Kreis 2 umgeben ist, welcher zwei Luftspalte 3 und 4 zwischen U-förmigen Teilen 5 und 6 des magnetischen Kreises aufweist.

Wie das Schaltschema von Fig. 2 zeigt, sind die Meßspulen 7 und 8 in einem elektrischen Meßkreis 9 in Serie geschaltet, wobei der Wicklungssinn und der Anschluß dieser Spulen derart gewählt sind, daß sich die darin jeweils von einem im Leiter 1 fließenden Wechselstrom induzierten Spannungen addieren. Parallel zu jeder Spule ist ein entsprechender Spannungsteiler 12, 13 und 14, 15 geschaltet, wobei die Widerstände 13 und 15 in Serie geschaltet sind und gleiche, sehr hohe Werte besitzen. Mindestens einer der Widerstände 12 und 14 ist einstellbar und ermöglicht eine Abstimmung der bei Vorhandensein eines äußeren Wechselfeldes an den Klemmen jedes der Widerstände 13 und 15 auftretenden Spannungen entgegengesetzter Phase, derart, daß die Summe dieser Spannungen gleich Null wird. Ferner können einstellbare Kondensatoren 16 oder 17 parallel zu den Widerständen 13 oder 15 geschaltet werden, um eine Kompensation einer eventuellen Phasenverschiebung zwischen den Spannungen an den Klemmen der Widerstände 13 und 15 zu ermöglichen. Dies verleiht der Meßvorrichtung eine praktisch vollkommene Unempfindlichkeit gegenüber magnetischen Störfeldern.

Das Schaltbild von Fig. 2 zeigt ferner einen Integrationskreis 10, der über einen Widerstand 18 mit den Klemmen der Serienschaltung der Widerstände 13 und 15 verbunden ist. Dieser Integrationskreis weist einen Widerstand 19, einen Kondensator 20 und einen Operationenverstärker 21 mit einer kleinen Offsetspannung auf. Der Widerstand 19, der die Abtrift der Ausgangsspannung des Verstärkers 21 begrenzt, hat einen sehr großen Wert, um die Integration bei den Frequenzen der zu messenden Spannung nicht zu verfälschen. Die in den Spulen 7 und 8 induzierte Spannung ist proportional der zeitlichen Ableitung des zu messenden Wechselstromes, so daß die Integration durch den Kreis 10 am Ausgang desselben eine dem zu messenden Strom proportionale Spannung liefert. Die Ausgangsspannung des Integrationskreises 10 wird an ein Bandpassfilter angelegt, welches die Komponenten des zu messenden Wechselstromes ausfiltert.

Die Komponenten, die mit der vorliegenden Meßvorrichtung gemessen werden sollen, sind einem Gleichstrom überlagert, dessen Stromstärke wesentlich höher als diejenige der zu messenden Komponenten ist. Der magnetische Kreis wird durch die Wahl seines Materials, seiner Abmessungen und der Abmessungen seiner Luftspalte so ausgelegt, daß er von dem durch diesen Gleichstrom erzeugten Magnetfluß nicht zur Sättigung gelangt. Der Fluß, der zu einem bestimmten Zeitpunkt durch die Wechselkomponenten im magnetischen Kreis 2 von Fig. 1 entsteht, ist durch vollinige Pfeile angedeutet. Ferner zeigt Fig. 1 in vereinfachter Weise den Einfluß eines äußeren Fremdfeldes, das schematisch durch strichlierte Pfeile angedeutet ist. Dieses Feld erzeugt einen Fluß im magnetischen Kreis, der sich im Idealfall zu gleichen Teilen zwischen den Armen des Magnetkreises, welche die Luftspalte enthalten, aufteilt. So entsteht zum dargestellten Zeitpunkt im Luftspalt 4 unter dem Einfluß dieses äußeren Fremdfeldes ein Störfeld, das sich zu dem durch den Strom des Leiters 1 erzeugten Feld addiert, während die entsprechenden Felder im Luftspalt 3 entgegengesetzt gerichtet sind. In ähnlicher Weise wird zu jedem Zeitpunkt die Summe der in den beiden Spulen induzierten Spannungen frei von Komponenten sein, die durch das äußere Fremdfeld erzeugt werden. Eine gute Annäherung an diesen Idealfall kann erreicht werden, wenn man für den Magnetkreis 2 ein Material hoher Permeabilität wie Ferro-Nickel wählt, jedoch besitzt ein solches Material im allgemeinen eine relativ niedrige Sättigungsschwelle, wodurch die Anwendungsmöglichkeiten der Meßvorrichtung begrenzt sind. Der hohe Preis dieser Materialien hoher Permeabilität stellt ebenfalls einen Nachteil dar. Verwendet man im Gegensatz dazu ein Material mit hoher Sättigungsschwelle, dessen Permeabilität bei kleinen Amplituden des Magnetflusses jedoch relativ niedrig ist, so besteht die Gefahr, daß der Einfluß eines äußeren Fremdfeldes in den beiden Luftspalten des Magnetkreises verschieden ist, da der Störfluß, welcher durch ein seitliches äußeres Feld erzeugt wird, verschiedene Weglängen im magnetischen Kreis durchläuft, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.

Um das Verhalten der Meßvorrichtung in einem solchen Fall zu verbessern, kann eine magnetische Abschirmung in Form von zwei Platten aus einem magnetisch permeablen Material, z. B. aus einem gewöhnlichen ferromagnetischen Stahlblech, verwendet werden. Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Ausführungsform, in der beide Platten 30, 31 parallel zu den Zweigen des magnetischen Kreises, welche die Luftspalte enthalten, in einem bestimmten Abstand davon angeordnet sind. Fig. 3 zeigt den Einfluß eines seitlichen äußeren Störfeldes, dessen Feldlinien und der entsprechende Fluß im Magnetkreis schematisch wie in Fig. 1 durch strichlierte Pfeile angedeutet sind, während der Fluß, der durch einen Wechselstrom im Leiter 1 erzeugt wird, durch vollinige Pfeile dargestellt ist. Man ersieht aus Fig. 3, daß ein Großteil des äußeren Feldes in der seitlichen Abschirmungsplatte 31 kurzgeschlossen wird und daß die anderen Feldlinien einerseits am oberen Teil 5 des magnetischen Kreises enden, so daß der entsprechende verbleibende Fluß sich in zwei praktisch gleich große Teile, die dieselbe Richtung in beiden Luftspalten besitzen, aufteilt, und andererseits zu einem sehr geringen Teil an der gegenüberliegenden Abschirmungsplatte 30 enden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine andere Ausführungsform der vorliegenden Meßvorrichtung, in der die Meßspulen die Form von langgestreckten Spulen 50, 51 besitzen, welche die Luftspalte des magnetischen Kreises umgeben. Solche Spulen ermöglichen das Erzielen einer größeren, induzierten Spannung durch den zu messenden Strom als im Fall von innerhalb der Luftspalte angeordneten Spulen. Die Fig. 5 und 6 zeigen ferner eine Abschirmung, die ebenfalls durch zwei Blechteile gebildet wird, wobei diese Blechteile hier so gebogen sind, daß sie die Zweige des Magnetkreises, welche die Luftspalte bilden, seitlich umgeben.

Die Fig. 7 und 8 zeigen einen Magnetkreis, der durch zwei parallele Zweige 70, 71 gebildet wird, wobei zwischen den Enden dieser Zweige Spulen 72 und 73 ohne ferromagnetischen Kern angeordnet sind. Bei einer solchen Anordnung ist eine Abschirmung von der in den Fig. 5 und 6 gezeigten Art besonders nützlich, um einen direkten Einfluß von äußeren Feldern auf die Meßspulen zu vermeiden und um eine näherungsweise symmetrische Verteilung des von einem äußeren Feld, dessen Feldlinien auf dem magnetischen Kreis enden, erzeugten Flusses zu bewirken.

Die Fig. 9 und 10 zeigen eine andere Anordnung einer Abschirmung, die dazu dient, eine annähernd symmetrische Verteilung des Störflusses im magnetischen Kreis zu erzielen. Bleche 91, 92, die so gebogen sind, daß sie Teile mit einem U- förmigen Profil bilden, sind in Kontakt mit gegenüberliegenden Zweigen 93, 94 des Magnetkreises, die keine Luftspalte aufweisen, angeordnet. Auf diese Weise erzeugen die Feldlinien eines äußeren Störfeldes, die auf der Abschirmung enden, Flußanteile, deren Verhältnis in den Zweigen, welche die beiden Luftspalte enthalten, unabhängig von der Gestalt des äußeren Störfeldes ist.

Bei den verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen wurden gleichartige Teile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Die Größenverhältnisse der verschiedenen Teile, die zur Veranschaulichung bevorzugter Ausführungsformen dargestellt sind, dienen lediglich als Beispiele und können in Abhängigkeit von den bei einer bestimmten Anwendung vorhandenen Bedingungen angepaßt werden.

Claims (12)

1. Induktive Meßvorrichtung zur Messung von Wechsel­ stromkomponenten, die einem hohen, in einem Leiter (1) fließenden Gleichstrom überlagert sind, welche Vorrichtung einen magnetischen Kreis (2) aufweist, der im wesentlichen symmetrisch bezüglich mindestens einer seiner Querschnittsebenen ist und so ausgebildet ist, daß der genannte Leiter durch ihn hindurchgeführt werden kann, wobei dieser magnetische Kreis mit mindestens einer Meßspule (7) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis zwei Luftspalte (3, 4) aufweist, die die gleichen Abmessungen besitzen und zu beiden Seiten der genannten Symmetrieebene liegen, und daß die Meßvorrichtung zwei praktisch identische Meßspulen (7, 8) aufweist, die mit dem magnetischen Kreis gekoppelt sind, sowie einen elektrischen Meßkreis (9), der so ausgebildet ist, daß sich die in den beiden Meßspulen von den zu messenden Stromkomponenten induzierten Spannungen addieren, wobei der Meßkreis einen Integrationskreis (10) enthält, dem ein der Summe der genannten induzierten Spannungen entsprechender Strom zugeführt wird.

2. Meßvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Meßspulen in Serie in den Meßkreis (9) geschaltet sind.

3. Meßvorrichtung nach den Patentansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Bandpaßfilter (11) aufweist, das an den Ausgang des genannten Integrationskreises geschaltet ist und die Komponenten des zu messenden Wechselstromes ausfiltert.

4. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspulen (7, 8) jeweils parallel zu einem entsprechenden Spannungsteiler (12, 13; 14, 15) geschaltet sind, wobei mindestens einer dieser Spannungsteiler einstellbar ist und wobei der Integrationskreis (10) mit den Klemmen von zwei Widerständen gleichen Wertes (13, 15), die in Serie geschaltet sind und jeweils Bestandteil der genannten Spannungsteiler sind, verbunden ist.

5. Meßvorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein einstellbarer Kondensator (16, 17) parallel zu mindestens einem der genannten Widerstände gleichen Wertes (13, 15) geschaltet ist.

6. Meßvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspulen (7, 8) jeweils im Inneren der Luftspalte (3, 4) angeordnet sind.

7. Meßvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspulen (50, 51) jeweils um Zweige (52, 53; 54, 55) des Magnetkreises, zwischen deren Enden die Luftspalte (3, 4) gebildet werden, herum angeordnet sind.

8. Meßvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis aus zwei Teilen (5, 6), die die gleiche U-Form besitzen, besteht, wobei die Enden dieser Teile jeweils einander gegenüberliegend angeordnet sind, um die genannten Luftspalte zu bilden.

9. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Abschirmvorrichtung (30, 31) aufweist, die zwei Abschirmteile (30, 31) aus einem magnetisch permeablen Material enthält, die jeweils außerhalb des Magnetkreises (2) in einer bestimmten Entfernung von den genannten Luftspalten angeordnet sind.

10. Meßvorrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmungsteile (30, 31) die Form von Platten besitzen, die im wesentlichen parallel zu der genannten Symmetrieebene liegen und in ihren Ebenen wesentlich größere Abmessungen als diejenigen der Luftspalte aufweisen.

11. Meßvorrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmungsteile die Form von Platten (57, 58) besitzen, die im wesentlichen parallel zu der genannten Symmetrieebene angeordnet sind und so gebogen sind, daß sie die Luftspalte teilweise umgeben.

12. Meßvorrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmungsteile Platten (91, 92) enthalten, die mit dem magnetischen Kreis in der Umgebung der in der Symmetrieebene dieses Kreises liegenden Querschnitte in Kontakt sind.