DE202004005495U1

DE202004005495U1 - current sensor

Info

Publication number: DE202004005495U1
Application number: DE200420005495
Authority: DE
Original assignee: Ellenberger and Poensgen GmbH
Current assignee: Ellenberger and Poensgen GmbH
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2014-04-08
Also published as: WO2005098458A1

Abstract

Stromsensor (1) zur Erfassung von Stromänderungen, insbesondere in Folge von Lichtbögen, mit einem ferromagnetischen Koppelelement (4) und mit einer diesen mit einer Anzahl von Sekundärwindungen (5) umgebenden Sensorwicklung (2) sowie mit einer den Strom (I_P) führenden Erregerwicklung (3).Current sensor (1) for detecting changes in current, in particular as a result of electric arcs, with a ferromagnetic coupling element (4) and a sensor winding (2) surrounding it with a number of secondary windings (5) and with an excitation winding carrying the current (I _P ) (3).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromsensor zur Erfassung von Stromänderungen, insbesondere in Folge von Lichtbögen.The The invention relates to a current sensor for detecting current changes, especially as a result of arcing.

Zur Messung eines durch einen Primärleiter fließenden Stromes wird häufig ein auf dem Prinzip der Rogowski-Spule basierender Stromsensor eingesetzt. Dieser aus einer Luftspule ohne ferromagnetischen Kern bestehende Sensor liefert ein Ausgangssignal in Form einer Spannung, die proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des den Primärleiter durchfließenden Strom ist. Eine derartige Rogowski-Spule wird daher insbesondere auch zur Erfassung eines sich zeitlich ändernden elektrischen Stroms eingesetzt. Dabei induziert das variable magnetische Feld zwischen den Enden des um den Primärleiter herumgeführten Spulenleiters die von der zeitlichen Änderung des Stromes abhängige Spannung.to Measurement of a current flowing through a primary conductor becomes common a based on the principle of Rogowski coil current sensor used. This consists of an air coil without ferromagnetic core Sensor provides an output signal in the form of a voltage proportional to the rate of change of the current flowing through the primary conductor is. Such a Rogowski coil will therefore be particularly for detecting a time-varying electric current used. This induces the variable magnetic field between the ends of the around the primary conductor round out Coil conductor the voltage dependent on the temporal change of the current.

Die Rogowski-Spule ist dabei üblicherweise realisiert durch eine auf einen torusförmigen Körper aus nicht-ferromagnetischem Material gewickelte elektrisch leitende Spule in Form von drahtförmigen Leitern oder durch Leiterbahnen, die auf einer mit einem zentralen Loch versehenen, nicht-leitenden Platte radial zum Lochmittelpunkt verlaufend angeordnet sind. Dabei ist der den zu erfassenden Strom führende Primärleiter durch die vom torusförmigen Körper gebildete Öffnung bzw. durch das Plattenloch zentral hindurchgeführt.The Rogowski coil is usually realized through a on a toroidal Body out non-ferromagnetic material wound electrically conductive Coil in the form of wire-shaped ladders or by conducting tracks on one with a central hole provided, non-conductive plate extending radially to the center of the hole are arranged. In this case, the primary conductor leading to the current to be detected is through the opening formed by the toroidal body or passed through the plate hole centrally.

Der Einsatz einer Rogowski-Spule bedingt jedoch eine relativ großflächige Sensorkonstruktion. Zudem ist der messbare Signalpegel sehr klein, was zur Signalauswertung eine aufwändige und daher kostenintensive Elektronik erfordert. Ferner werden mit einer Rogowski-Spule auch Störfelder erfasst.Of the However, use of a Rogowski coil requires a relatively large sensor construction. moreover the measurable signal level is very small, resulting in signal evaluation an elaborate one and therefore requires costly electronics. Further, with a Rogowski coil also interfering fields detected.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Stromsensor, insbesondere zur Detektion von schnellen Stromänderungen, anzugeben.Of the Invention is based on the object, a particularly suitable Current sensor, in particular for the detection of rapid changes in current to specify.

Der Stromsensor soll auch Ereignisse in Folge von Lichtbögen und stellflankige Stromanstiege oder -änderungen (dl/dt) mit geringstmöglichem Aufwand zuverlässig erfassen.Of the Current sensor is also said to be events in a row of arcs and Flanking current increases or changes (dl / dt) with the lowest possible Effort reliable to capture.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dazu umfasst der Stromsensor ein ferromagnetisches Koppelelement und eine dieses mit einer Anzahl von Sensorwindungen umgebende Sensorwicklung sowie eine den zu erfassenden Strom führende Erregerwicklung. An den Anschlussenden der Sensorwicklung ist ein Strom- oder Spannungssignal abgreifbar, dass aus der Steigungsänderung (d²l_P/dt²) infolge hochfrequenter Signalanteile im Stromsignal und der Dämpfung bzw. Verstärkung infolge der Kopplung der Sensorwicklung mit der Erregerwicklung über das ferromagnetische Koppelelement resultiert. Dieses Signal wird zweckmäßigerweise in einem Analog/Digital-Wandler, beispielsweise mittels eines Komparators oder 1 bit-Wandlers, abgetastet.This object is achieved by the features of claim 1. For this purpose, the current sensor comprises a ferromagnetic coupling element and a surrounding this with a number of sensor windings sensor winding and a current to be detected exciter winding. At the terminal ends of the sensor winding, a current or voltage signal can be tapped that results from the change in slope (d ² l _P / dt ² ) due to high-frequency signal components in the current signal and the attenuation or gain due to the coupling of the sensor winding to the field winding via the ferromagnetic coupling element , This signal is expediently sampled in an analog / digital converter, for example by means of a comparator or 1-bit converter.

Die aus der Sensorwicklung und dem Koppelelement aus ferromagnetischem Material bestehende wesentliche Baugruppe des Sensors wird unter Bildung eines Abstandes über das Koppelelement mit der Erregerwicklung gekoppelt. Dazu umgeben zweckmäßigerweise sowohl die Sensor- als auch die Erregerwicklung das Koppelelement unter Bildung eines Isolationsabstandes. Die Erregerwicklung und die Sensorwicklung sind dabei unter Bildung eines Abstandes auf dem Koppelelement nebeneinander angeordnet. Die Erregerwicklung, d. h. der den zu messenden Strom führende Primärleiter ist somit nicht durch eine Sensorspule hindurchgeführt, sondern verläuft auf oder an dem gemeinsamen Koppelelement benachbart zur Sensorwicklung.The from the sensor winding and the coupling element of ferromagnetic Material existing essential assembly of the sensor is under Forming a gap over the coupling element coupled to the field winding. Surround it expediently both the sensor and the exciter winding the coupling element forming an isolation distance. The excitation winding and the Sensor winding are forming a gap on the Coupling element arranged side by side. The exciter winding, d. H. leading the current to be measured primary conductor is thus not passed through a sensor coil, but extends on or at the common coupling element adjacent to the sensor winding.

Die Erregerwicklung, die denjenigen Strom führt, dessen schnellen Stromänderungen erfasst werden soll, umfasst eine viertel Windung bis zehn Windungen. Dabei kann die Erregerwicklung einen langgestreckten Leiter darstellen oder eine halbe Windung, also eine einseitig offene Schlaufe, eine ganze Windung oder auch mehrere Windungen umfassen. Zweckmäßigerweise umfasst die Erregerwicklung mindestens eine halbe Windung, vorzugsweise 1½-Windungen. Bezüg lich der Anzahl der Windungen sowohl der Erregerwicklung als auch der Sensorwicklung ist dabei berücksichtigt, dass erkanntermaßen hinsichtlich elektrischer Kriterien möglichst wenige Windungen und hinsichtlich signaltechnischer Kriterien möglichst viele Windungen verwendet werden.The Excitation winding, which leads those current whose rapid current changes to be recorded comprises a quarter turn to ten turns. In this case, the field winding can represent an elongated conductor or half a turn, so a loop open on one side, a whole Winding or more turns include. Conveniently, the excitation winding comprises at least half a turn, preferably 1½ windings. In terms of the number of turns of both the field winding and the sensor winding is taken into account that recognized in terms of electrical criteria as few turns and as many turns as possible with regard to signal-technical criteria become.

Die Windungszahl der Sekundärwicklung beträgt zweckmäßigerweise eine halbe Windung bis fünfzehn Windungen. Der detektierbare Frequenzbereich und die Größe des an der Sensorwicklung abgreifbaren Signals werden beeinflusst durch die Masse, das Material und die Geometrie des Koppelelementes sowie durch die Anzahl der Windungen der Erreger- bzw. Sensorwicklung und deren geometrische Anordnung. Das Koppelelement besteht zweckmäßigerweise aus einem vorzugsweise zylindrischen Ferritkern, der auch hohl ausgeführt sein kann, mit hinsichtlich dessen Abmessungen einem Durchmesser von 1 mm bis 10mm, vorzugsweise 2mm, und einer Länge von 2mm bis 40mm, vorzusgsweise 15mm. Die Anzahl der Erregerwindungen beträgt vorzugsweise eineinhalb und die Anzahl der Sensorwindungen beträgt vorzugsweise viereinhalb. Die Masse des Koppelelementes beträgt zwischen 0,1g und 2g, vorzugsweise 0,2g. Der detektierbare Frequenzbereich liegt zwischen ca. 400 kHz und etwa 60 MHz.The number of turns of the secondary winding is expediently half a turn to fifteen turns. The detectable frequency range and the size of the signal which can be picked off at the sensor winding are influenced by the mass, the material and the geometry of the coupling element as well as by the number of turns of the exciter or sensor winding and their geometric arrangement. The coupling element is expediently made of a preferably cylindrical ferrite core, which may also be hollow, with respect to the dimensions of a diameter of 1 mm to 10mm, preferably 2mm, and a length of 2mm to 40mm, vorzusgsweise 15mm. The number of excitation windings is preferably one and a half and the number of sensor windings is preferably four and a half. The mass of the coupling element is between 0.1 g and 2 g, preferably 0.2 g. The detectable Fre Frequency range is between about 400 kHz and about 60 MHz.

Eine mit den Anschlussenden der Sensorwicklung verbundene Auswerteelektronik, vorzugsweise in Form eines Analog/Digital-Wandlers mit nachgeschalteter Signalverarbeitung, erfasst und verarbeitet direkt das an den Anschlüssen der Sensorwicklung abgreifbare frequenzabhängige Sensorsignal, d. h. ein Sensorsignal mit frequenzabhängiger Amplitude. Dieses von dem Sensor erzeugte Signal ist dabei um so größer oder höher, je steilflankiger die Stromänderung ist. Eine solche schnelle Stromänderung (dl/dt) wird im oder mittels des Koppelelementes gespeichert und damit gedämpft bzw. verstärkt. Das an den Anschlußenden der Sensorwicklung abgreifbare Sensorsignal wird mittels des Analog/Digital-Wandlers auf einen einstellbaren Wert normiert, dessen Pulshöhe oder Logikpannung und Pulsdauer durch ein Referenzsignal vorgebbar ist. Die Pulsdauer oder zeitliche Pulslänge des Ausgangssignals des Analog/Digital-Wandlers wird insbeson dere auch durch die Masse des Koppelelementes und damit durch die mit dem Stromsensor bewirkte Dämpfung bzw. Verstärkung bestimmt.A evaluation electronics connected to the terminal ends of the sensor winding, preferably in the form of an analog / digital converter with downstream Signal processing, records and processes directly at the terminals of the Sensor winding tapped frequency-dependent sensor signal, d. H. one Sensor signal with frequency-dependent amplitude. This signal generated by the sensor is greater or less higher, the steepest the current change is. Such a fast current change (dl / dt) is stored in or by means of the coupling element and so steamed or reinforced. That at the connection ends The sensor coil can be tapped off the sensor winding by means of the analog / digital converter normalized to an adjustable value, the pulse height or Logic voltage and pulse duration can be predetermined by a reference signal. The pulse duration or temporal pulse length of the output signal of the analog / digital converter In particular, by the mass of the coupling element and thus by determines the attenuation or gain caused by the current sensor.

Die Abtastwerte des mittels des Analog/Digital-Wandlers digitalisierten Signals wird zweckmäßigerweise gezählt oder aufsummiert. Die ermittelte Summe enthält dann einen bestimmten Zählwert, der wiederum einem ursächlichen Ereignis zugeordnet werden kann. Die Summe ist dabei umso größer, je mehr Ereignisse pro Zeiteinheit der Abtastung aufgetreten sind. In Folge der Summation wird eine Reduktion der Datenrate erreicht. Durch die zeitdiskrete Summation ist zudem eine einfache Signalauswertung ermöglicht.The Samples of the digitized by means of the analog / digital converter Signal is expediently counted or summed up. The calculated sum then contains a specific count, which in turn is a cause Event can be assigned. The sum is the greater, the more Events per unit time of the sample have occurred. As a result the summation, a reduction of the data rate is achieved. By the time-discrete summation is also a simple signal evaluation allows.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der nach dem Rogowski-Prinzip mit insbesondere ferromagnetischem Koppelelement ausgeführte Stromsensor bei gleichzeitig sehr geringen konstruktiven Abmessungen und daher kleinem Gesamtaufbau einen vergleichsweise hohen Signalpegel erzeugt. Die Signalpegel sind dabei ausreichend groß bzw. hoch, so dass eine einfache Verarbeitung ohne weitere Signalverstärkung möglich ist. Der Stromsensor führt dabei keine proportionale Strommessung durch, sondern erfasst Änderungen der Stromstärke in einem bestimmten Frequenzbereich.The particular advantages of the invention are that according to the Rogowski principle with particular ferromagnetic coupling element executed Current sensor with very small structural dimensions and therefore a small overall structure a comparatively high signal level generated. The signal levels are sufficiently large or high, so that a simple processing without further signal amplification is possible. The current sensor leads doing no proportional current measurement, but recorded changes the current strength in a certain frequency range.

Zudem ist die Sensorwicklung des Stromsensors auf einfache sowie zuverlässige Art und Weise vom Strom führenden Erregerleiter während der Messung galvanisch getrennt, ohne dass der Stromsensor exakte Symmetrievoraussetzungen erfüllen muß. Daher ist eine im Vergleich zum Rogowski-Sensor wesentlich freiere konstruktive Positionierung der Sensorwicklung zum Strom führenden Leiter erreicht.moreover is the sensor winding of the current sensor in a simple and reliable way and way of conducting electricity Exciter conductor during the measurement galvanically separated without the current sensor accurate Must fulfill symmetry requirements. Therefore is a much freer constructive compared to the Rogowski sensor Positioning of the sensor winding to the current-carrying conductor is achieved.

Insbesondere aufgrund der sehr geringen Abmessungen des Stromsensors eignet sich dieser besonders vorteilhaft zur Messung von Ereignissen in Systemen, bei denen besondere Anforderungen an Gewicht und Volumen gestellt werden. So kann der Stromsensor in ein Gehäuse mit entsprechend geringen Gehäuseabmessungen und/oder vorteilhaft auch in einen Schutzschalter integriert werden.Especially due to the very small size of the current sensor is suitable this particularly advantageous for measuring events in systems, where particular demands placed on weight and volume become. Thus, the current sensor in a housing with correspondingly low housing dimensions and / or advantageously also be integrated into a circuit breaker.

Der Stromsensor selbst benötigt keinerlei weiteren Bauelemente, da aufgrund des hohen Signalpegels keine aufwendige Signalaufbereitung erforderlich ist. Zudem kann ein Frequenzbereich insbesondere von 400 kHz bis 60 MHz ohne zusätzliche Filtermaßnahmen zuverlässig hinsichtlich steilflankiger Stromänderungen detektiert werden. Dabei ist praktisch jeder Lichtbogen detektierbar, der immer dann entstehen kann, wenn zwei unterschiedliche Spannungspotentiale an Flächen, Leitern o.dgl. geführt werden und deren elektrische Isolation zueinander nicht ausreichend ist. Auch sind steilflankige Stromänderungen, wie diese von elektrischen Verbrauchern im jeweiligen Primärleiter erzeugt werden können, zuverlässig detektierbar.Of the Current sensor itself needed no further components, because of the high signal level no elaborate signal conditioning is required. In addition, can a frequency range in particular from 400 kHz to 60 MHz without additional filtering measures reliable be detected with respect to steep edge changes in current. Virtually every arc is detectable, and then always can arise when two different voltage potentials surfaces, Ladders or the like guided and their electrical insulation to each other is not sufficient is. Also are steep-sided current changes, such as those of electrical Consumers in the respective primary conductor can be generated reliable detectable.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:following Be exemplary embodiments of Invention explained in more detail with reference to a drawing. Show:

1 schematisch in perspektivischer Darstellung einen an einem Komparator mit Signalverarbeitung angeschlossenen erfindungsgemäßen Stromsensor, 1 1 is a schematic perspective view of a current sensor according to the invention connected to a comparator with signal processing;

2a und 2b eine Stirnansicht auf eine Sensorwicklung bzw. auf eine Erregerwicklung des Stromsensors, 2a and 2 B an end view of a sensor winding or on a field winding of the current sensor,

3 in einem Diagramm die Dämpfung bzw. Verstärkung des Stromsensors in Abhängigkeit von der Frequenz schneller Stromänderungen, 3 in a diagram, the attenuation or amplification of the current sensor as a function of the frequency of rapid current changes,

4 schematisch in einer Diagrammdarstellung ein Stromsignal mit steilflankiger Stromänderung und ein mittels des Stromsensors generiertes Sensorausgangssignal sowie ein normieretes Ausgangssignal des Komparators, 4 1 is a schematic diagram of a current signal with steep-edge current change and a sensor output signal generated by means of the current sensor and a normalized output signal of the comparator;

5 im oberen Diagrammteil ein Verbraucherstrom mit Störanteilen und im unteren Diagrammteil eine Ereignisrate als Ausgangssignal der Signalverarbeitung, und 5 in the upper part of the diagram a load current with noise components and in the lower part of the diagram an event rate as an output signal of the signal processing, and

6 in einer Darstellung gemäß 5 die Ereignisrate als Ausgangssignal der Signalverarbeitung in Folge eines Schaltvorgangs. 6 in a representation according to 5 the event rate as the output of the signal processing as a result of a switching operation.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.each other corresponding parts are in all figures with the same reference numerals Mistake.

Gemäß den 1 und 2 umfasst der Stromsensor 1 eine Sensorwicklung oder -spule 2, die ebenso wie eine Erregerwicklung 3 um ein gemeinsames Koppelelement 4 gewickelt ist. Das zylinder- oder stabförmig ausgebildete und ferromagnetische Koppelelement 4 durchdringt beide Wicklungen 2, 3 einstückig. Dabei sind die aus mehreren Sensorwindungen 5 bestehende Sensorwicklung 2 und die Erregerwicklung 3, die ebenfalls aus mehreren Windungen 6 bestehen kann, unter Bildung eines Abstandes a auf dem Koppelelement 4 angeordnet. Das Koppelelement 4 und die beiden Wicklungen 2, 3 sind in einem Sensorgehäuse 7 angeordnet, wobei die Anschlußenden der Erregerwicklung 3 gehäuseintern an entsprechende Anschlüsse 8a, 8b geführt sind. Das Gehäuse 7 kann auch dasjenige eines elektronischen Schutzschalters oder Schutzschaltrelais sein.According to the 1 and 2 includes the current sensor 1 a sensor winding or coil 2 that as well as an exciter winding 3 around a common coupling element 4 is wound. The cylindrical or rod-shaped and ferromagnetic coupling element 4 penetrates both windings 2 . 3 integrally. They are made up of several sensor windings 5 existing sensor winding 2 and the excitation winding 3 which also consists of several turns 6 may exist, forming a distance a on the coupling element 4 arranged. The coupling element 4 and the two windings 2 . 3 are in a sensor housing 7 arranged, wherein the terminal ends of the field winding 3 inside the housing to appropriate connections 8a . 8b are guided. The housing 7 can also be that of an electronic circuit breaker or circuit breaker relay.

Der Abstand b der Erregerwicklung 3 zum entsprechenden Kernende 4a des Koppelelements 4 liegt vorzugsweise im Bereich weniger Millimeter, z. B. 2mm bis 5mm. Der Abstand b sollte dabei gleich der Breite c der Erregerwicklung 3 auf dem Koppelelement 4 sein. Der entsprechende Abstand d der Sensorwicklung 2 zum gegenüberliegenden Kernende 4b kann in der gleichen Größenordnung dimensioniert sein und ist ebenfalls zumindest etwa gleich der Breite e der Sensorwicklung 2 auf dem Koppelelement 4.The distance b of the exciter winding 3 to the corresponding core end 4a of the coupling element 4 is preferably in the range of a few millimeters, z. B. 2mm to 5mm. The distance b should be equal to the width c of the exciter winding 3 on the coupling element 4 be. The corresponding distance d of the sensor winding 2 to the opposite end of the core 4b can be dimensioned in the same order of magnitude and is also at least about equal to the width e of the sensor winding 2 on the coupling element 4 ,

Der Außendurchmesser D des Koppelelementes 4 beträgt zwischen 1 mm und 10mm, vorzugsweise 2mm. Die Länge L des Koppelelementes 4 beträgt zwischen 2mm und 40mm, vorzugsweise 15mm. Die Masse des Koppelelementes beträgt zwischen 0,1 g und 2g, vorzugsweise 0,2g.The outer diameter D of the coupling element 4 is between 1 mm and 10mm, preferably 2mm. The length L of the coupling element 4 is between 2mm and 40mm, preferably 15mm. The mass of the coupling element is between 0.1 g and 2g, preferably 0.2g.

Die Sekundärwindungen 5 der Sensorwicklung 2 sind um das Koppelelement 4 unter Bildung eines Isolationsabstandes f herumgeführt. Dieser richtet sich wiederum nach den elektrischen Anforderungen. Der Isolationsabstand f wird durch ein geeignetes Isolationsmedium oder -material, vorzugsweise Luft, gebildet. Die Erregerwicklung 3 ist mit einem Isolationsabstand g um das Koppelelement 4 herumgeführt. Isolationsmedium ist hierbei ebenfalls vorzugsweise Luft. Die Abstände a, f und g sind im Wesentlichen abhängig von durch den bestimmungsgemäßen Einsatzzweck vorgegebenen elektrischen und/oder thermischen Isolationsanforderungen.The secondary turns 5 the sensor winding 2 are around the coupling element 4 led around forming an isolation distance f. This in turn depends on the electrical requirements. The isolation distance f is formed by a suitable isolation medium or material, preferably air. The excitation winding 3 is at an isolation distance g around the coupling element 4 led around. Isolation medium is also preferably air here. The distances a, f and g are essentially dependent on the intended purpose of use given electrical and / or thermal insulation requirements.

Die Anzahl der Sekundärwindungen 5 zur Bildung der Sensorwicklung 2 beträgt im Ausführungsbeispiel 4½. Auch kann die Sensorwicklung 2 mehr oder weniger Windungen, beispielsweise zwei bis zehn Windungen aufweisen. Die Anzahl der Erregerwicklungen beträgt im Ausführungsbeispiel 1½. Auch hier können mehr oder weniger Erregerwindungen 6 vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Erregerwicklung 3 ein im Abstand g quer zum Koppelelement 4 verlaufender und den zu detektierenden Strom I_P führender Leiter sein. Die Erregerwicklung 3 ist die den Strom I_P führende Leitung selbst oder ein mit dieser verbindbarer Leitungsabschnitt.The number of secondary turns 5 for the formation of the sensor winding 2 is in the embodiment 4½. Also, the sensor winding can 2 more or less turns, for example, have two to ten turns. The number of field windings is 1½ in the embodiment. Again, more or less exciting turns 6 be provided. For example, the exciter winding 3 at a distance g transversely to the coupling element 4 be running and the current to be detected I _P leading conductor. The excitation winding 3 is the line I _P leading line itself or a connectable with this line section.

Bei einer Messung wird in Folge einer zeitlichen Änderung dI_P/dt des Stromes I_P sowie aufgrund einer mittels des Koppelelementes 4 erreichten Konzentration des durch die schnelle Stromänderung erzeugten Magnetfeldes in der Sensorwicklung 2 eine Spannung induziert. Infolge einer Verstärkung durch die Magnetfeldkonzentration im ferromagnetischen Koppelelement 4 ist an den Anschlussenden 2a, 2b der Sensorwicklung 2 ein Spannungssignal S mit relativ hohem Signalpegel abgreifbar. Die vom Stromsensor 1 detektierte Steigungsänderung d²I_P/dt² der schnellen Stromänderung resultiert in einem Signal S, das um so größer oder stärker ist, je steilflankiger die Stromänderung dI_P/dt ist. Zeitgleich wird eine solche schnelle Stromänderung dI_P/dt im oder mittels des Koppelelementes 4 gespeichert und damit zeitlich verlängert, wie dies in 4 veranschaulicht ist.During a measurement, dI _P / dt of the current I _P as well as due to a coupling element is due to a change over time 4 achieved concentration of the magnetic field generated by the rapid change in current in the sensor winding 2 induces a voltage. As a result of an amplification by the magnetic field concentration in the ferromagnetic coupling element 4 is at the connection ends 2a . 2 B the sensor winding 2 a voltage signal S can be tapped off with a relatively high signal level. The from the current sensor 1 detected slope change d ² I _P / dt ^{2 of} the rapid current change results in a signal S, which is greater or stronger, the more steeply the current change is dI _P / dt. At the same time, such a fast current change dI _P / dt is in or by means of the coupling element 4 saved and thus extended in time, as in 4 is illustrated.

4 zeigt schematisch im oberen Diagramm den Verlauf des erfassten Erregerstromes I_P über die Zeit t mit einer steilflankigen Stromänderung dI_P/dt von einem vergleichsweise niedrigeren Stromwert I_P1 zu einem vergleichsweise hohen Strom wert I_P2. Die mittlere Darstellung in 4 zeigt das Signal S an den Eingängen E₁ eines Analog/Digital-Wandlers (A/D-Wandler) 9 als Antwort auf die schnelle Stromänderung oder die Änderung der Steigung d²I_P/dt². 4 schematically shows in the upper diagram the course of the detected excitation current I _P over time t with a steep edge current change dI _P / dt from a comparatively lower current value I _P1 to a comparatively high current value I _P2 . The middle illustration in 4 shows the signal S at the inputs E _{1 of} an analog / digital converter (A / D converter) 9 in response to the rapid change in current or the change in slope d ² I _P / dt ² .

3 zeigt die Abhängigkeit der Dämpfung

des Signals S an den Eingängen E₁ in Abhängigkeit von der Frequenz f bei einer Sensorwicklung 2 mit 4½ Windungen und einer Erregerwicklung 3 mit 1½ Windungen sowie einer Länge L des Koppelelementes 4 von 15mm bei einem Außendurchmesser D von 2mm und einer Masse des Koppelelementes 4 von 0,2g. 3 shows the dependence of the damping

of the signal S at the inputs E ₁ as a function of the frequency f at a sensor winding 2 with 4½ turns and a field winding 3 with 1½ turns and a length L of the coupling element 4 of 15mm with an outer diameter D of 2mm and a mass of the coupling element 4 of 0.2g.

Das an der Sensorwicklung 2 abgreifbare Signal S wird dem Eingang E₁ des zweckmäßigerweise als Komparator ausgeführten A/D-Wandler 9 einer Auswerteeinrichtung oder-elektronik zugeführt. Dem weiteren Eingang E₂ des Komparator und damit des als 1 bit-Wandler ausgeführten A/D-Wandlers 9 wird ein Referenzsignal U_Ref in Form einer Spannung von z. B. 50mV bis 300mV zugeführt. Durch die A/D-Wandlung wird das Eingangs- oder Sensorsignal S auf die Referenz- oder Logikspannung U_Ref bei einer Pulsweite Δt von z. B. 10ns bis 100ns normiert. Dadurch können die entsprechenden Ereignisse einfach verarbeitet werden.That at the sensor winding 2 tappable signal S is the input E _{1 of} the expediently designed as a comparator A / D converter 9 supplied to an evaluation or electronics. The further input E _{2 of} the comparator and thus the executed as a 1-bit converter A / D converter 9 is a reference signal U _Ref in the form of a voltage of z. B. supplied 50mV to 300mV. By the A / D conversion, the input or sensor signal S to the reference or logic voltage U _Ref at a pulse width .DELTA.t of z. B. 10ns to 100ns normalized. This makes it easy to process the corresponding events.

Die Pulsdauer oder zeitliche Pulslänge Δt des Ausgangssignals P des A/D-Wandlers 9 wird insbesondere auch durch die Masse des Koppelelementes 4 und damit durch die Dämpfung

bzw. Verstärkung V des Signals S bestimmt. Das infolge der A/D-Wandlung normierte Sensorsignal S am Ausgang A des Wandlers 9 ist in der unteren Darstellung in 4 veranschaulicht. Erkennbar ist, dass der A/D-Wandler bzw. Komparator 9 auf einen schnellen Stromanstieg dI_P/dt mit einem zeitlich kurzen Impuls P der Impulslänge Δt reagiert.The pulse duration or temporal pulse length Δt of the output signal P of the A / D converter 9 will be ins special also by the mass of the coupling element 4 and thus by the damping

or gain V of the signal S determined. The normalized as a result of the A / D conversion sensor signal S at the output A of the converter 9 is in the lower illustration in 4 illustrated. It can be seen that the A / D converter or comparator 9 to a rapid increase in current dI _P / dt reacts with a short pulse P of the pulse length At.

Für eine vereinfachte Darstellbarkeit der Ereignisse werden die Ausgangssignale oder Digitalwerte P des A/D-Wandlers 9 in einer diesem nachgeschalteten, nachfolgend als Signalverarbeitung bezeichneten Verarbeitungseinrichtung 10 aufsummiert. Deren Eingang E_S ist mit dem Ausgang A des A/D-Wandlers 9 verbun den. Am Ausgang B der Signalverarbeitung 10 ist eine entsprechende Zahl oder Ereignisrate R in einem Zeitintervall abgreifbar. Die jeweiligen Ereignisraten R können – wie in den 5 und 6 gezeigt – graphisch dargestellt werden.For a simplified representability of the events, the output signals or digital values P of the A / D converter 9 in a downstream of this, hereinafter referred to as signal processing processing means 10 summed up. Their input E _S is connected to the output A of the A / D converter 9 connected. At the output B of the signal processing 10 is a corresponding number or event rate R can be tapped in a time interval. The respective event rates R can - as in the 5 and 6 shown - graphically displayed.

Der A/D-Wandler 9 und die Signalverarbeitung 10 sind ebenfalls im Sensorgehäuse 7 angeordnet. Der Ausgang B der Signalverarbeitung 10 ist dabei an einen entsprechenden, analogen (seriellen) oder digitalen Anschluß 11 geführt, über den die Ereignissraten R auslesbar sind. Weitere Anschlüsse 12, 13 sind für die Versorgungsspannung U_B bzw. Masse (Ground) vorgesehen.The A / D converter 9 and the signal processing 10 are also in the sensor housing 7 arranged. The output B of the signal processing 10 is to a corresponding, analog (serial) or digital connection 11 over which the event rates R are readable. Other connections 12 . 13 are provided for the supply voltage U _B or ground (ground).

5 zeigt mehrere Halbwellen eines Erregerstroms I_P mit Störungen S_HF in Folge hochfrequenter Signalanteile. Diese, mit herkömmlichen Strommessungen bereits qualitativ nicht oder nur äußerst schwierig bzw. mit hohem messtechnischen Aufwand erkennbaren hochfrequenten Signalanteile werden vom Stromsensor 1 als solche detektiert. Die kurzzeitigen Impulse P werden in der Signalverarbeitung 10 für eine vereinfachte graphische Darstellbarkeit zur Ereignisrate R in einem Zeitintervall summiert. 5 shows several half-waves of an excitation current I _P with disturbances S _HF as a result of high-frequency signal components. These, with conventional current measurements already qualitatively not or only extremely difficult or with high metrological effort recognizable high-frequency signal components are from the current sensor 1 detected as such. The short-term pulses P are in the signal processing 10 for a simplified graphical representability to the event rate R summed in a time interval.

6 zeigt ein mit herkömmlichen Mitteln erfasstes typisches Stromsignal I_P in Folge des Abschaltens eines Verbrauchers. Anhand des Verlaufes des Stromsignals I_P ist eine Abnahme des Strom I_P über die Zeit t in Folge des Abschaltens eines von mehreren Verbrauchern erkennbar. Das in dem unteren Teil des Diagramms dargestellte Signal zeigt die durch die Signalverarbeitung 10 ermittelte Ereignisrate R. Vom Stromsensor 1 detektiert wurde dabei der in dem Schalter für kurze Zeit erzeugte Lichtbogen. 6 shows a conventional current detected typical current signal I _P as a result of switching off a consumer. Based on the course of the current signal I _P is a decrease in the current I _P over time t as a result of switching off one of several consumers recognizable. The signal shown in the lower part of the diagram shows the signal processing 10 determined event rate R. From the current sensor 1 The arc generated in the switch for a short time was detected.

Anhand dieser Versuchsmessungen ist erkennbar, das mittels des erfindungsgemäßen Stromsensors 1 auch solche hochfrequente Stromänderungen eines zu erfassenden Stromes I_P zuverlässig erfasst werden, die bisher nur mit erheblichem messtechnischen Aufwand detektierbar wären. Da derartige, steilflankige Stromänderung insbesondere auch bei Störlichtbögen auftreten, die beispielsweise in Folge eines Potentialausgleichs zwischen zwei unterschiedliche Spannungs potentiale führenden und z. B. Isolationsdefekte aufweisenden benachbarten Leitern entstehen, eignet sich der Stromsensor 1, insbesondere aufgrund dessen geringen Abmessungen und der einfachen Auswertung, vorteilhafterweise auch zur Detektion von Lichtbögen in Flugzeug-Bordnetzen (arc tracking).On the basis of these experimental measurements, it can be seen that by means of the current sensor according to the invention 1 Also such high-frequency current changes of a current to be detected I _{P are} reliably detected, which would previously be detectable only with considerable metrological effort. Since such, steep-flanked current change, in particular also occur in arcs, the potentials leading example, as a result of potential equalization between two different voltage and z. B. insulation defects having adjacent conductors arise, the current sensor is suitable 1 , Especially due to its small dimensions and the simple evaluation, advantageously also for the detection of arcs in aircraft electrical systems (arc tracking).

11: Stromsensorcurrent sensor
22: Sensorwicklungsensor winding
2a,2b2a, 2b: Anschlussendeterminal end
33: Erregerwicklungexcitation winding
44: Koppelelementcoupling element
4a,b4a, b: Kernendecore end
55: Sensorwindungsensor loop
66: Erregerwindungexcitation winding
8a,b8a, b: AnschlußConnection
99: A/D-WandlerA / D converter
1010: Signalverarbeitungsignal processing
11-1311-13: AnschlußConnection
a-ga-g: Abstanddistance
I_P I _P: Erregerstromexcitation current
I_P1,P2 I _{P1, P2}: Stromverlaufcurrent profile
tt: ZeitTime
A,BFROM: Ausgangoutput
DD: Durchmesserdiameter
Ee: Eingangentrance
LL: Längelength
RR: Ereignisrateevent rate
PP: Ausgangssignal/DigitalwertOutput signal / digital value
SS: Signalsignal
SHFSHF: Störanteilnoise component

Claims

Current sensor ( 1 ) for detecting changes in current, in particular as a result of arcing, with a ferromagnetic coupling element ( 4 ) and one with a number of secondary windings ( 5 ) surrounding sensor winding ( 2 ) and a current winding (I _P ) leading excitation winding ( 3 ).

Current sensor according to claim 1, characterized in that the sensor winding ( 2 ) half a turn ( 5 ) to fifteen turns ( 5 ).

Current sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the exciter winding ( 3 ) a quarter turn ( 6 ) to ten turns ( 6 ).

Current sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sensor winding ( 2 ) the coupling element ( 4 ) surrounds to form an isolation distance (c).

Current sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the exciter winding ( 3 ) to the sensor winding ( 2 ) spaced on the coupling element ( 4 ) is arranged.

Current sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the excitation winding ( 3 ) the coupling element ( 4 ) surrounds to form an isolation distance (d).

Current sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that a at the terminal ends ( 2a . 2 B ) of the sensor winding ( 2 ) can be tapped off (S) directly at an input (E ₁ ) of an analog / digital converter ( 9 ) is supplied to the further input (E ₂ ), a reference signal (U _Ref ) is performed.

Current sensor according to Claim 7, characterized by a voltage value of the reference signal (U _Ref ) of 1 mV to 1000 mV, preferably 50 mV to 300 mV.

Current sensor according to claim 7 or 8, characterized by the sampling time (Δt) of the terminals ( 2a . 2 B ) of the sensor winding ( 2 ) tapped signal (S) is 1ns to 1000ns, preferably 20ns.

Current sensor according to one of Claims 1 to 9, characterized by a housing ( 7 ) with one arranged with the sensor winding ( 2 ) input side connected analog / digital converter ( 9 ).

Current sensor according to claim 10, characterized by a the analog / digital converter ( 9 ) in-house downstream signal processing ( 10 ).

Current sensor according to one of claims 1 to 11, characterized in that the coupling element ( 4 ) is a non-closed, preferably elongated cylinder body made of ferromagnetic material.

Current sensor according to one of claims 1 to 12, characterized in that the outer diameter (D) of the coupling element ( 4 ) is between 1 mm and 10 mm, preferably 2 mm.

Current sensor according to one of claims 1 to 13, characterized in that the coupling element ( 4 ) has a mass of from 0.1 g to 2 g, preferably 0.2 g.

Current sensor according to one of claims 1 to 14, characterized in that the coupling element ( 4 ) has a length (L) of 2mm to 40mm, preferably 15mm.