DE2112315A1

DE2112315A1 - Verfahren zur potentialfreien Messung von Gleichstroemen mit direkter Zeitverschluesselung

Info

Publication number: DE2112315A1
Application number: DE19712112315
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl-Ing Trenkler
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: TRENKLER, GERHARD, PROF. DR.-ING., 3300 BRAUNSCHWE
Priority date: 1971-03-15
Filing date: 1971-03-15
Publication date: 1972-09-21
Also published as: FR2130303B1; FR2130303A1; GB1381307A; US3812428A; DE2112315B2

Description

Verfahren zur potentialfreien Messung"von Gleichströmen mit direkter Zeitverschlüsselung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur potentialfreien Messung von Gleichströmen mit Hilfe von Spulen mit mehreren Wicklungen, die einen Kern aus magnetisierbarem Material besitzen, dessen Magnetisierungsschleife durch ein Vormagnetxsierungswechselfeld bis zur Sättigung ausgesteuert wird.

Die besondere Bedeutung dieser Verfahren beruht auf der galvanischen Trennung von Meß- und Anzeigekreis und auf der Möglichkeit, die Strommessung verlustfrei durchzuführen.

Bekanntlich können Gleichströme potentialfrei durch Spülen gemessen werden, die mindestens zwei Wicklungen tragen und einen Kern aus magnetisierbarem Material besitzen, dessen Magnetisierungsschleife durch eineVormagnetisierungswechseldurchfluturtg in die Sättigung ausgesteuert wird. Dabei wird die eine Wicklung, die Meßwicklung, von dem zu messenden Gleichstrom durchflossen, während die andere, die Vormagnetisierungswicklung, an einer Wechselspannungsquelle zur Erzeugung der Vormagnetisierungswechseldurchflutung liegt. Der in der Meßwicklung fließende Strom prägt dem Strom durch die Vormagnetisierungswicklung während der einen Halbwelle der Wechselspannung einen annähernd rechteckförmigcn Verlauf auf. Die Amplitude dieses rechteckförmigen Stromverlaufs' ist der Größe des Steuerstroms proportional und ihre Größe ergibt sich aus dem Windungsverhältnis von Meß- zu Vormagnetisierungswxcklung. Um diesen Effekt meßtechnisch auszunutzen₄ schaltet man üblicherweise zwei der neben beschriebenen Anordnungen mit ihren Meßwicklungen in Reihe und mit ihren Vormagnetisierungswicklungen in Gegenreihe. Dadurch tritt in den

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Vormagnetisierungswicklungen ein rein rechteckförmiger Strom auf, dessen Amplitude nach Gleichrichtung mit einer Diodenbrückensehaltung ein Maß für den in der Meßwicklung fließenden Strom ist. Die Meßanordnung ist einfach im Aufbau und verfügt über eine gute Linearität, hat aber den Nachteil, daß die Stromrichtung nicht erkennbar ist und daß die Anzeige im Bereich des Nullpunktes unbestimmt ist.

Bei einer anderen Methode zur potentialfreien Messung von Gleichströmen wird ebenfalls ein Kern aus magnetisierbarem Material benutzt, der eine Vormagnetisierungs- und eine Meßwicklung trägt. Der Kern wird durch einen Wechselstrom in der Vormagnetisierungswicklung bis in den Sättigungsbereich ausgesteuert. Dadurch ist die Spannung über der Vormagnetisierungswicklung nicht mehr sinusförmig und sie enthält infolgedessen höhere Harmonische. Ist der zu messende Strom gleich Null, so sind nur ungradzahliga Harmonische vorhanden. Ist dagegen der Meßstrom von Null verschieden, so treten auch gradzahlige Harmonische auf. Hauptsächlich wird die Spannung der zweiten Harmonischen als Maß für die Größe des Gleichstroms in der Meßwicklung benutzt. Man schaltet üblicherweise zwei der beschriebenen Anordnungen mit ihren Meßwicklungen in Reihe und mit den Vormagnetisierungswicklungen in Gegenreihe und erreicht damit eine Unterdrückung' der störenden ungradzahligen Harmonischen. In manchen Fällen wird auf die Kerne noch eine dritte Wicklung, die Induktionswicklung, aufgebracht, an der dann die Spannung der zweiten Harmonischen abgenommen wird. Auch diese Meßanordnung ist einfach im Aufbau, sie besitzt einen definierten Nullpunkt und die Richtung des Meßstromes ist erkennbar; aber sie hat den Nachteil, daß sie sehr nichtlinear ist und daß ein sich ändernder Widerstand des Meßkreises große Fehler hervorruft.

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bei einer dritten Methode zur potentialfreien Messung von Gleichströmen wix»d wieder ein Kern aus magnetisierbarem Material benutzt, der eine Vormagnetisierungs- und eine Meßwicklung trägt, jedoch wird hier der Kern durch die Vormagnetisxerungsdurchflutung nicht bis in die Sättigung ausgesteuert. Ausgenutzt wird die Änderung der Induktivität der Vormagnetisierungswicklung bei Anlegen eines Gleichstroms an die Meßwicklung. Diese Methode ist jedoch so fehlerhaft und aufwendig, daß sie technisch nicht verwirklicht ist.

Dem oben beschriebenen Verfahren haftet gemeinsam als grundsätzlicher Nachteil an, daß eine digitale Anzeige des zu messenden Gleichstroms direkt nicht möglich ist, sondern nur durch den zusätzlichen Einsatz eines Analog-Digital wandlers. Dieses bedingt aber nicht nur einen apparativen Mehraufwand, sondern auch eine verminderte Meßgenauigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Größe des zu messenden Gleichstroms einen digitalen Meßwert direkter Zeitverschlüsselung zu erhalten. Dadurch ist auf einfachem Wege eine digitale Anzeige, Registrierung und Weiterverarbeitung sowie eine von Störungen und Nichtlinearitäten der Obertragungsstrecke freie Fernübertragung des Meßwerts möglich und der apparative Aufwand bei der Anzeige des Meßwerts läßt sich vermindern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von einer Spule mit magnetisierbarem Kern, welche drei getrennte Wicklungen besitzt, bei der in der ersten Wicklung, der Vormagnet5.sierungswicklung, durch einen Vormagnetisierungsstrom eine solche Durchflutung erzeugt wird, daß der Kern in den Sättigungsbereich ausgesteuert wird, bei der die zweite Wicklung, die Meßwicklung,- den zu messenden

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Strom trägt und bei der in der dritten Wicklung eine Induktionsspannung induziert wird, die von der Induktionswicklung abgegebene Induktionsspannung differenziert wird und die zeitliche Verschiebung der Nulldurchgänge der differenzierten Induktionsspannung durch direkte Zeitverschlüsselung als ein dem Meßstrom entsprechender Digitalwert gewonnen wird.

Um den Zeitpunkt des Nulldurchganges zu markieren, wird in einer zweiten Ausbildung der Erfindung die differenzierte Induktionsspannung einem Spannungskomparator zugeführt, dessen Ausgangsspannung sich im Nulldurchgang der differenzierten Induktionsspannung sprunghaft ändert.

Damit der zeitliche Abstand zwischen zwei SpannungsSprüngen entgegengesetzter Richtung bei diesem Meßverfahren der in der Meßwicklung fließenden Stromstärke direkt proportional ist, werden in einer dritten Ausbildung der Erfindung zwei Anordnungen, jeweils bestehend aus einer Spule mit magnetisierbarem Kern, ein Differenzierglied und einem Spannungskomparator, mit ihren Meßwicklungen in Reihe und den Vormagnetisierungswicklungen in Gegenreihe geschaltet, während die Ausgänge der Komparatoren elektrisch in geeigneter Weise gegeneinander geschaltet werden.

Um die Steilheit des Nulldurchganges der induzierten Induktionsspannung zu vergrößern und damit bei gleicher Empfindlichkeit des Meßverfahrens die Auswertung des Null-. Durchganges sicherer zu machen, wird in einer vierten Ausbildung der Erfindung der magnetisierbar^ Spulenkern über eine bestimmte Länge des Kerns im Querschnitt vermindert und die Induktionswicklung über der Querschnittsverminderung angeordnet.

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Damit neben der digitalen Anzeige und Registrierung des zu messenden Stromes auch eine Anzeige oder Registrierung mittels eines den arithmetischen Mittelwert einer Spannung messenden analogen Meß- oder Registriergerätes möglich ist, wird in einer sechsten Ausbildung der Erfindung die differenzierte Induktionsspannung der Spule einem Spannungskomparator zugeführt, der im Nulldurchgang der differenzierten Induktionsspannung bei konstanter Ausgangsamplitude die Polarität der Ausgangsspannung sprunghaft wechselt.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbexspxele der Erfindung beschrieben.

Figur 1 zeigt den Aufbau der Anordnung zur potentialfreien Messung von Gleichströmen mithilfe einer einzigen Spule mit Kern. Eine Wechselstromquelle liefert entweder einen sinusförmigen oder dreieckförmigen Wechselstrom I in die Vormagnetisierungswicklung 2 eines Kerns 1 aus weichmagnetischem Material. Der Kern 1 ist an einer Stelle im Querschnitt vermindert. Ober dem verminderten Querschnitt erstreckt sich die Induktionswicklung 4 und darüber längs des Schenkels mit der Einschnürung die Meßwicklung 3, die den zu messenden Strom führt. Die von der Induktionswicklung gelieferte Spannung u. gelangt über ein.Differenzierglied, das im einfachsten Falle aus einer CR-Kombination bestehen kann, auf einen Spannungskomparator, der die Ausgangsspannung Ug liefert.

Die Wirkungsweise des Meßverfahrens ist auf Figur 2 dargestellt. Die Magnetisxerungskennlinie des weichmagnetischen Kerns wird unter Vernachlässigung der Hysterese und Wirbelstromverluste durch einen eindeutigen Kurvenzug dargestellt CFig. 2b). Die hier zeitlich dreieckförmig

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verlaufende Vormagnetisierungsdurchflutüng θ und die Meßdurchflutung θ addieren sich in ihrer Wirkung auf den Kern, wobei sich die Größe der Kerndurchflutung über die Windungszahlen der Wicklungen aus deren Strömen ergibt (Fig. 2a). Durch Spiegelung der resultierenden Durchflutung an der Magnetisierungskennlinie ergibt sich die Flußdichte B im Kern (Fig. 2c). Die in der Induktionswicklung induzierte Spannung u. entspricht dem Dxfferentxalquotxenten der Flußdichte B im Kern (Fig. 2d). Es zeigt sich, daß die Extrema der Induktionsspannung sich unter Einwirkung des zu messenden Stroms I um den Betrag f · t verschieben» Die Große und Richtung der Verschiebung ist ein Maß für das zu messende Feld. Eine direkte Auswertung der Verschiebung der Extrema ist wegen ihrer Amplitudenabhängigkeit sehr fehlerhaft* Durch Differentiation der Induktionsspannung werden aus den Extrema Nulldurchgänge, die in ihrer zeitlichen Lage unabhängig von der Amplitude und Kurvenform sind (Fig. 2e), Die Auswertung der Nulldurchgänge erfolgt durch einen Spannungskomparator, der im Nulldurchgang der differenzierten Induktionsspannung sprunghaft die Polari-tät seiner Ausgangsspannung bei konstanter Amplitude wechselt. Die vom Komparator abgegebene Spannung u« ist eine Rechteckspannung, deren Rechteckbreite f · x. bzw, f · τ~ nur von der Größe des zu messenden Stromes I_m abhängt (Fig. 2f),

f - T₁.₂ = 0,5 ί 2 f - t_o CI_m)

In dieser Gleichung bedeuten f die Frequenz, τ die Rechteckbreite und t (H- ) die zeitliche Verschiebung der Nulldurchgänge unter Einwirkung des zu messenden Stromes. Aus der AusgangsSpannung des Komparators läßt sich auch in einfacher Weise ein analoger Meßwert erhalten, indem man diese einem Spannungsmesser zuführt, der den arithmetischen Mittelwert einer Spannung anzeigt.

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Den Aufbau einer· Differenzanordnung mit 2 Kernen zur potentialfreien Messung von Gleichströmen zeigt die Figur Eine Wechselstromquelle, die auch hier wieder einen zeitlich dreieck- oder sinusförmig verlaufenden Strom liefern kann, speist -die beiden in Gegenreihe geschalteten Vormagnetisierungswicklungen der Spulenanordnungen 1 und 2. Die Meßwicklungen der Anordnungen 1 und 2, die den Strom I führen, werden in Reihe geschaltet. Die Induktionswicklungen der Anordnung 1 und 2 speisen getrennt die gleichartigen Differenzierglieder 1 und 2 und die Spannungskomparatoren 1 und 2. Die Ausgänge der Spannungskomparatoren, welche die Spannung u_g. und U₅₂ liefern, sind gegeneinander geschaltet. Die Gegeneinanderschaltung ergibt eine resultierende Spannung der Größe u . ,

Die Wirkungsweise der Differenzanordnung wird anhand von Figur 4 erläutert. Die Magnetisierungsschleife des Sondenkerns wird wieder durch einen eindeutigen Kurvenzug dargestellt (Fig. 4b). Die Vormagnetisierungsdurchflutungen und die Meßdurchflutungen addieren sich in ihrer Wirkung auf die einzelnen Kerne. Die resultierende Durchflutung in Kern 1 ist gegenüber der Durchflutung in Kern 2 um f»t = 0,5 phasenverschoben (Fig. 4a). Entsprechend ergeben sich in den Kernen 1 und 2 zwei um f · t = 0,5 phasenverschobene Flußdichten B (Fig. 4c). Die in den Induktionsspulen induzierten Spannungen werden, wie im Vorhergehenden näher beschrieben, in den einzelnen Kanälen getrennt differenziert und in den Nulldurchgängen bewertet. An den Ausgängen der Spannungskomparatoren 1 und 2 erhält man dann zwei Rechteckspannungen u_Q. bzw. Ug₂ niit der Rechteckbreite f · T^ bzw. f · τ« (Fig. 4d). Werden die beiden Spannungen jetzt gegeneinander geschaltet, so ergibt sich als Gesamtausgangsspannung u eine Folge von Rechteckimpulsen mit der Breite f · T₃/2, wobei

'3 = ^{4 f} · Λ>

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ist. Die Impulse folgen im Abstand f · ΐ = 0,5 aufeinander. Man erhält also mit der Differenzanordnung eine Verdopplung der Empfindlichkeit und eliminiert den störenden Summanden 0,5 in der Gleichung für die zeitliche Verschiebung bei der einfachen Meßanordnung, Außerdem wird die Rückwirkung der Vormagnetisierungsdurchflutung auf den Meßkreis vermindert.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der zeitliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Nulldurchgänge als Maß für den zu messenden Gleichstrom I benutzt wird, anstatt, wie bei den bisherigen Ausführungen, die Höhe der Amplitude einer Wechselspannung. Dadurch ist unter Umgehung eines Analog-Digital-Wandlers eine sehr einfache und fehlerfreie Digitalisierung des Meßwertes möglich, Werden die Nulldurchgänge der Wechselspannung durch einen Spannungskomparator bewertet, so lassen sich die Meßwerte des Gleichstroms ohne Informationsverlust selbst bei Störungen und Nichtlinearitäten der Übertragungsstrecke über weite Entfernung übertragen. Im Gegensatz zu den bisherigen Meßanordnungen lassen sie sich mit wenigem Aufwand regenerieren und verstärken.

Literatur

1. Ritz, Hans: Gleichstrommeßwandler, Archiv für Technisches Messen V 3213 - 2

2. Krämer, W,: Neuer Gleichstrommeßwandler, Archiv für Technisches Messen V 3213 - 3

3. Geyger, W₃A.: Nonlinear magnetic control devices, New York - Toronto - London 1964

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur potentialfreien Messung von Gleichströmen mit direkter Zeitverschlüsselung, bestehend aus einer Spule mit wenigstens 3 getrennten Wicklungen, die einen

■-'—magnetisierbaren Kern besitzt, dessen Magnetisierungsschleife mithilfe der einen Wicklung, der Vormagnetisierungswicklung, bis in die Sättigung gesteuert wird, wobei die zweite Wicklung, die Meßwicklung, den zu messenden Strom führt, während die dritte Wicklung, die Induktionswicklung, über die Flußdichte im Kern der Induktionsspannung liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspannung differenziert wird und die durch Einwirkung des Meßstroms auf den Kern auftretende zeitliche Verschiebung der Nulldurchgänge der differenzierten Induktionsspannung als Maß für die Stärke und Richtung des zu messenden Stromes verwendet wird.

2. Verfahren zur potentialfreien Messung von Gleichströmen mit direkter Zeitverschlüsselung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die differenzierte Induktionsspannung einem Spannungskomparator zugeführt wird, dessen Ausgangsspannung im Nulldurchgang der differenzierten Induktionsspannung sprunghaft ihre Amplitude ändert.

3. Verfahren zur potentialfreien Messung von Gleichströmen mit direkter Zeitverschlüsselung nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Anordnungen, bestehend aus je einer Spule mit 3 Wicklungen und magnetisierbarem Kern, Differenzierglied und Spannungskomparator, wobei die VDrmagnetisierungswicklungen in Gegenreihe und die Meßwicklungen in Reihe geschaltet sind, an den Ausgängen der Komparatoren derart elektrisch miteinander verbunden sind, daß der zeitliche Abstand zweier

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Ausgangsspannungssprünge entgegengesetzter Richtung ein Maß für den zu messenden Gleichstrom ist.

4. Verfahren zur potentialfreien Messung von Gleichströmen . mit direkter Zeitverschlüsselung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisierbare Kern der Spule an einer Stelle im Kernquerschnitt vermindert ist und daß sich über dieser Stelle die Induktionswicklung befindet.

5. Verfahren zur potentialfreien Messung von Gleichströmen mit direkter Zeitverschlüsselung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die differenzierte Induktionsspannung der Spule einem Spannungskomparator zugeführt wird, dessen Ausgangsspannung im Nulldurchgang der differenzierten Induktionsspannung die Polarität bei konstanter Amplitude sprunghaft wechselt.

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