DE19733352A1 - Vorrichtung und Verfahren zur verbesserten Messung von Ersatzableitströmen insbesondere gemäß DIN VDE 751 und an fest an Erde angeschlossenen Geräten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltungsaufbau und ein Verfahren mit denen Ersatzableitströme, so wie sie insbesondere gemäß DIN VDE 751 gemessen werden müssen, auch an mit Erde fest verbundenen Geräten ohne nennenswerten Fehler gemessen werden können. Dadurch können zu prüfende Geräte und insbesondere medizinische Geräte während einer solchen elektrischen Sicherheitsprüfung an Erde angeschlossen bleiben, was Fehler durch ein Trennen und nachträgliches Ankoppeln an Erde reduziert. Solche elektrischen Prüfungen sind an den meisten medizinischen Geräten gemäß des Medizin-Produkte-Gesetzes periodisch durchzuführen.

Bekannt sind Meßanordnungen 111 gemäß Fig. 1, mit denen eine Spannung Uo durch eine Prüfspannungsquelle 113 in der Größenordnung der Netzmaximalspannung erzeugt wird, die über einen strombegrenzenden Widerstand W und ein Strommeßgerät 114 einenteils an die Netzanschlüsse 115 und 116 des zu prüfenden Geräts 112 (Prüfling) und anderenteils am Gehäuse oder Schutzleiter 117 angelegt wird. Der Fehlerstrom der durch eine parasitäre Kopplung im Prüfling 112 zwischen Netzteil und Gehäuse bzw. Schutzleiter oder Patiententeil zustande kommt, kann auf diese Weise gemessen werden. Unter der Annahme, daß die Meßanordnung 111, wie skizziert, galvanisch getrennt ist, könnte theoretisch auch an mit Erde verbundenen Prüflingen gemessen werden. Dies ist jedoch in der Praxis nicht der Fall, da die interne Spannungserzeugung einen sich im Meßgerät 111 befindlichen möglichen Akkumulator relativ schnell entladen würde.

Die Spannungserzeugung durch einen Trenntransformator weist zwangsläufig mit herkömmlichen Transformatoren gemäß Fig. 2 eine kapazitive Kopplung Cp1 und Cp2 zwischen Netzspannung an der Leitung 1 und Meßmasse (GNDm) an der Leitung 15 auf. Der Strom geht "worst-case" (und unter Vernachlässigung eines kleinen Anteils Ip3 über die Leitung 14) den Weg des geringsten Widerstands und fließt über das Mikroamperemeter 120 und die Leitung 15 zum mit der Meßmasse verbundenen Schutzleiter 9 (PE) und von da zur Erde 13. Nachteilig ist bei dieser Anordnung, daß der kapazitiv eingekoppelte Fehlerstrom direkt über das Mikroamperemeter 120, mit Ströme im µA-Bereich gemessen werden müssen, fließt und somit die Meßergebnisse verfälscht.

Ein weiterer Nachteil ist der, daß die Prüfspannung 5, durch den Innenwiderstand bedingt, deutlich von der Belastung durch einen fließenden Ersatzableitstrom I_E, der ja gemessen werden soll, abhängt. Bei realen Ersatzableitströmen in der Größenordnung von 5 . . . 5000 µA kann die Prüfspannung leicht in einem Bereich von 120 . . . 242 VAC schwanken. Vorgeschrieben wäre, daß die Prüfspannung nachgeregelt wird, was jedoch aus schaltungstechnischen Gründen bei dem vorstehend erläuterten Schaltungsaufbau nur schwer möglich ist. Eine Spannungsregelung mit Strombegrenzung auf maximal zulässige 3,5 mA und im letzten Falle eine Stromregelung auf 3,5 mA wäre ideal.

Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und eine Schaltungsvorrichtung sowie ein Meßverfahren zu schaffen, die keinen nennenswerten parasitären Leckstrom durch den Meßweg zur Erde hin aufweisen, die spannungsstabilisiert und strombegrenzt arbeiten, und die bei Überschreiten des maximal zulässigen Stroms eine Stromregelung aufweisen.

Die obige Aufgabe sowie weitere Aufgaben, die nachstehend ersichtlich sind, werden durch eine elektronische Schaltungsvorrichtung gemäß Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Die erfindungsgemäße elektronische Schaltungsvorrichtung weist keinen nennenswerten parasitären Leckstrom durch den Meßweg zur Erde hin auf. Die erfindungsgemäße elektronische Schaltungsvorrichtung ist weiterhin spannungsstabilisiert und strombegrenzt und beim Überschreiten des maximal zulässigen Stroms wird eine Stromregelung durch entsprechende Mittel durchgeführt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind deutlicher der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer Schaltungsvorrichtung und eines Verfahrens unter Hinweis auf die beiliegenden Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Meßanordnung gemäß dem Stand der Technik zur Gehäuse- Ersatzableitstrommessung, bestehend aus dem Meßgerät 111 mit der Prüfspannungsquelle 113 und Mikroamperemeter 114 und dem Prüfling 112, zwischen dessen Netzanschlüssen 115 und 116 und dessen Schutzleiteranschluß 117 der Strom gemessen wird.

Fig. 2 eine Meßanordnung gemäß dem Stand der Technik, mit der parasitär eingekoppelte Fehlerströme Ip1 und Ip2 mitgemessen werden und daher zu einer Meßwertverfälschung führen. Das Gehäuse bzw. der Schutzleiter eines Prüflings 30 ist mit Erde verbunden.

Fig. 3 die erfindungsgemäße Meßanordnung, die aus einer Meßschaltungsanordnung, in die über eine parasitäre Kapazität 1 ein Fehlerstrom Ip eingekoppelt wird, und einem Prüfling 30, der fest an Erde angeschlossen ist, besteht.

Die vorliegende Erfindung weist eine Schaltungsmeßanordnung gemäß Fig. 3 auf, die hauptsächlich aus einer gesteuerten/geregelten Signalquelle 3, einem Transformator 4, 5 zur Spannungsvervielfachung, und einer Strommeßschaltung über einen Meßwiderstand 17 besteht. Zu messende und fließende Ersatzableitströme Ip3, die durch den Prüfling 30 im dargestellten Fall von den Netzanschlüssen L und N zum Schutzleiteranschluß PE fließen, werden durch den Spannungsabfall am Meßwider­ stand 17 bestimmt. Die abfallende Spannung wird hochohmig durch einen Operati­ onsverstärker 19 mit geringem Bias-Strom abgeleitet und durch eine Spannungsan­ zeige 20, die auch einen Mikroprozessor integriert haben kann, angezeigt. Durch eine nicht dargestellte Spannungsmeßanordnung zwischen den Prüfleitungsausgängen 8 und 9, die jeweils den Anschlüssen L und PE des Prüflings 30 entsprechen, kann die Prüfspannung bestimmt und durch eine entsprechende Regelung der Signalquelle 3 vorteilhafterweise auf einem konstanten Wert gehalten werden. Falls der gemessene Wert der Ersatzableitströme Ip3 durch den Meßwiderstand 17 einen maximal zulässigen Stromwert überschreitet, kann die Regelung der Signalquelle 3 als Stromregelung mit Spannungsmessung zwischen den Prüfleitungsausgängen 8 und 9 ausgeführt werden. Damit ist eine zuverlässige und sichere Messung gewährleistet.

Vorteilhaft ist an dieser Schaltungsanordnung der Spannungserzeugung im Meßkreis, daß durch Kapazitäten 1 eingekoppelte Ströme Ipo nicht durch den Meßwiderstand 17 fließen, sondern direkt durch die Meßmasse 2 (GNDm) hin zum Schutzleiter 9 des Prüflings 30 und damit weiter zur Erde 13 des Prüflings 30 fließen.

Ein wesentlicher Vorteil dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, daß ungeachtet dessen, ob der Prüfling 30 an der Erde 13 angeschlossen ist oder nicht, geringste Ersatzableitströme richtig gemessen werden können und dazu die Prüfspannung optimal normkonform, insbesondere mit der DIN VDE 751 Norm eingehalten werden kann. Obwohl hierin nur die DIN VDE 751 Norm ausdrücklich erwähnt wurde, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Messung gemäß anderen nicht erwähnten äquivalenten Normen geeignet.

Ein weiterer besonderer Vorteil dieser Schaltungsanordnung ist es, daß auch unter einer anderen Netzspannungsfrequenz als 50 Hz, zum Beispiel in Amerika, die Überprüfung eines Geräts gemäß der Europäischen Norm zwecks CE-Zulassung möglich ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung zur fehlerfreien Messung von Ersatzableitströmen insbesondere auch an mit der Erde 13 fest verbundenen Prüflingen 30 umfaßt die kleinspannungsbetriebene Signalquelle 3 an der Meßmasse 2 (GNDm), die über den Transformator 4, 5 eine höhere netzspannungsähnliche Prüfspannung erzeugt, deren Prüfstrom (Ersatzableitstrom) Ip3 über eine Strommeßschaltung 17, 19, 20 gemessen werden kann. Die Strommeßschaltung umfaßt den Meßwiderstand 17, den Operationsverstärker 19 und die Spannungsanzeige 20. Diese Schaltungsvorrichtung zur fehlerfreien Messung von Ersatzableitströmen weist ferner nach außen geführte Prüfspannungsausgänge 8, 9 auf, die mit den Anschlüssen L und PE des Prüflings 30 verbunden werden können. Die Spannung der Signalquelle 3 kann in Abhängigkeit der Prüfspannung und des Prüfstroms (Ersatzableitstroms) Ip3 derart geregelt werden, daß sie spannungsstabilisiert und strombegrenzt arbeitet. Ein durch die Spannungsanzeige angezeigter Strommeßwert kann mit einem (nicht gezeigten) Mikroprozessor oder auch mit einer Analogschaltung berechnet werden. Der Transformator 4, 5 kann auch durch einen Transformator mit Mittelschirm ersetzt werden.

Besonders vorteilhaft kann die Prüfspannung zwischen den Anschlüssen 8 und 9 auch niedriger oder höher als die Netzspannung sein. Mit dieser Schaltungsanordnung können auch Ersatzpatientenableitströme und Ersatzgeräteableitströme gemessen werden.

Anstelle des Meßwiderstands 17 und der Spannungsauswertung 19, 20 bestehend aus dem Operationsverstärker 19, der Spannungsanzeige 20 und dem nicht gezeigten Mikroprozessor (oder Analogschaltung) zur Berechnung des Strommeßwerts können auch andere dem Fachmann wohlbekannte Strommeßverfahren angewendet werden.

Eine besondere Eigenschaft der vorliegenden Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung besteht darin, daß mit der Schaltungsanordnung auch komplexe Widerstände in beliebigen Geräten, die mit Erde verbunden sind, gemessen werden können.

Die Phase des Signals der Signalquelle 3 kann so eingestellt/geregelt werden, daß sich auch noch kleinste Meßfehlerströme, die durch die Strommeßanordnung fließen und die zu Beginn einer Messung durch Öffnen eines Relais im Stromweg 14 gemessen werden können, kompensieren lassen.

Die vorliegende Erfindung erfüllt vollständig die an sie gestellten Aufgaben. Sie stellt insbesondere ein Verfahren und eine Schaltungsvorrichtung zur Verfügung, mit der Ersatzableitströme auch an fest mit Erde verbundenen Geräten mit geringem Schaltungsaufwand gemessen werden können. Vorteilhaft ist dabei auch die freie Wahl der Signalfrequenz und die Möglichkeit, eine hohe Prüfspannung oder den Meßstrom gut und einfach regeln zu können. Die erfindungsgemäß geschaffene Möglichkeit fest an Erde angeschlossene Geräte gemäß DIN VDE 751 prüfen zu können steigert die Sicherheit, und spart oft viel Zeit bei der Prüfung, wenn zum Beispiel Wasserleitungen an Lasern nicht mehr abgeschraubt werden müssen.

Die Erfindung kann zusätzlich zu den obigen Ausführungen in vielerlei Hinsicht abgeändert werden. Insbesondere kann anstatt des oben beschriebenen konventionellen, gewöhnlichen Transformators auch ein spezieller Transformator mit Wicklungsschirmung verwendet werden.

Claims (9)

1. Eine Schaltungsvorrichtung zur fehlerfreien Messung von Ersatzableitströmen insbesondere an fest mit der Erde (13) verbindbaren Prüflingen (30), die folgendes umfaßt:

• (a) eine Signalquelle (3), die an einer Meßmasse (2) angeschlossen ist,
• (b) einen Transformator (4,5), der mit der Signalquelle (3) verbunden ist und eine netzspannungsähnliche Prüfspannung erzeugt,
• (c) nach außen hin geführte und an einem Prüfling (30) anschließbare Prüfspannungsausgänge (8, 9) zum Anlegen der Prüfspannung an den Prüfling (30),
• (d) eine Strommeßschaltung (17, 19, 20) zur Messung der Ersatzableitströme (Ip3) über der Strommeßschaltung (17, 19, 20) und zur Regelung der Spannungs- und/oder Stromausgabe der Signalquelle (3) in Abhängigkeit von den gemessenen Ersatzableitströmen (Ip3).

2. Die Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Regelung der Stromausgabe der Signalquelle (3) derart erfolgt, daß ein vorbestimmter maximal zulässiger Strom nicht überschritten wird.

3. Die Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Transformator (4, 5) als Transformator mit Mittelschirm ausgebildet sein kann.

4. Die Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1-3, wobei die Strommeßschaltung (17, 19, 20) einen Meßwiderstand (17), einen Operationsverstärker (19) und eine Spannungsanzeige (20) umfaßt.

5. Die Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1-4, wobei, die Prüfspannung zwischen Prüfspannungsausgängen (8, 9) niedriger oder höher als eine übliche Netzspannung sein kann.

6. Die Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1-5 wobei die Vorrichtung zur Messung von Ersatzpatientenableitströmen und Ersatzgeräteableitströmen ausgebildet ist.

7. Die Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1-6, wobei die Vorrichtung zur Messung komplexer Widerstände in beliebigen Geräten, die mit Erde verbunden sind, ausgebildet ist.

8. Die Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1-7, wobei die Phase des Signals der Signalquelle (3) so eingestellt und/oder geregelt werden kann, daß sich auch noch kleinste Meßfehlerströme, die durch die Strommeßanordnung 3 fließen und die zu Beginn einer Messung durch Öffnen eines Relais im Stromweg (14) gemessen werden können, kompensieren lassen.

9. Ein Verfahren zur fehlerfreien Messung von Ersatzableitströmen insbesondere an fest mit der Erde (13) verbindbaren Prüflingen (30), das folgendes umfaßt:
Erzeugen einer Spannungs- und/oder Stromausgabe mittels einer Signalquelle (3),
Erzeugen einer netzspannungsähnlichen Prüfspannung aus der Ausgabe der Signalquelle (3),
Anlegen der Prüfspannung an den Prüfling (30),
Messen der Ersatzableitströme (Ip3) durch den Prüfling, und
Regeln der Spannungs- und/oder Stromausgabe der Signalquelle (3) in Abhängigkeit von den gemessenen Ersatzableitströmen (Ip3).