DE2112315B2

DE2112315B2 - Verfahren zur potentialfreien Messung von Gleichströmen mit direkter Zeitverschlüsselung

Info

Publication number: DE2112315B2
Application number: DE2112315A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr.-Ing. 3300 Braunschweig 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: 1975-06-12
Also published as: GB1381307A; FR2130303A1; US3812428A; DE2112315A1; FR2130303B1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur potenlialfreicn Messung von Gleichströmen mit direkter Zeitverschlüsselung, bestehend aus einer Spule mit wenigstens drei getrennten Wicklungen, die einen magnetisierbaren kern besitzt, dessen Magnetisierungsschleife mit Hilfe einer Vormagnetisierungswicklung bis in die Sättigung gesteuert wird, wobei eine Meßwicklung den zu messenden Strom führt, während eine Induktionswicklung über die Flußdichte im Kern die Induktionsspannung liefert.

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

Bekanntlich können Gleichströme potentialfrei durch Spulen gemessen werden, die mindestens z:\c\ Wicklungen tragen und einen Kern aus magnetisierbarem Material besitzen, dessen Magnetisierungsschleife durch eine Yormagnetisierungswechseldurchflutung in die Sättigung ausgesteuert wird (vgl. W. Krämer »Neuer Gleichstromwandler« ATM

V 3213-3). Dabei wird die eine Wicklung, die Meßwicklung, von dun zu messenden Gleichstrom durchflossen, während die andere, die Vormagnetisierungswicklung, an einer Wechselspannungsquelle zur Erzeugung der VorrnagnelisierungswechseldurchiliituHg liest. 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 rechteckiörmigCii Stromverlaufs i-.t der Größe des Steuerstroms proportional, und ihre GröCe ergibt sich aus dem Windungsverhältnis von Meß- zu Vormagnetisierungswicklung. Um diesen Effekt meßtechnisch auszunutzen, schaltet man üblicherweise zwei der oben beschriebenen Anordnungen mit ihren Meßwicklungen in Reihe und mit ihren Vormagnetisierungswicklungen in Gegenreihe.

Dadurch tritt in den Vormagnetisierungswicklungen ein rein reehteckförmiger Strom auf, dessen Amplitude nach Gleichrichtung mit einer Diodenbrückenschaltung 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 der anderen Methode zur potentialfreien Messung von Gleichströmen wird ebenfalls ein Kern aus magnetisierbarem Material benutzt, der eine Vormagnetisierungs- und eine Meßwicklung trägt (vgl. K. Rottsieper »Gleichstrommessung«, ATM

V 32161). Der Kern wird durch einen Wechselstrom in der Vormagnetisierungswicklung bis in den Sättigungsbercich 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 ungradzahlige Harmonische vorhanden. 1st dagegen der Meßstrom von Null verschieden, so treten auch geradzahlige 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 ungcradzahligen Harmonischen In manchen Fällen wird auf die Kerne noch eine dritte Wicklung, die Induktionswicklung, autgebracht, an der dann die Spannung der zweiten Harmoniu-licn abgenommen wird. Auch diese Mcßanordmmo ki einfach im Aufbau, sie be-

ätzt 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.

Bei einer dritten Methode zur potentialfreien Messuna von Gleichströmen wird wiecicr ein Kern aus jiagnetisierbarem Material benutzt, der eine Vormagnetisierungs- und eine Meßwicklung trägt, jedoch _wird hier der Kern durch die Vormagnetisierungsdurchfmtung nicht bis in die Sättigung ausgesteuert (vgl. ^w· ^A· Geyger »Nonlinear magnetic control device«, New York—Toronto—London 1964). AuseenutztWird 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-Digitalwandlers. Dieses bedingt aber nicht nur einen apparativen Mehraufwand, sondern auch eine verminderte Meßgenauigkeit.

Aus der DT-AS 10 17 702 ist eine Anordnung zum Messen von elektrischen Strömen zu entnehmen, die von einem Satz bekannter Magnetkerne mit rechteckiger Hystereseschleife ausgeht. Auf den Kernen sind Meßstrom- und Impulsstromwicklungen angeordnet, die ein entgegengesetzt gerichtetes Feld erzeugen. Die Meßstromwicklungen sind auf den Kernen so stufenweise abgestimmt, daß sie diese unterschiedlich magnetisieren. Dadurch werden nur ganz bestimmte Kerne in ihrem Magnetisierungszustand wiederholt geändert. Diese Magnetisierung wird zur Anzeige herangezogen. Das bedeutet mit anderen Worten, daß die Kerne bei verschiedenen Schwellen in die Sättigung gebracht werden. Damit erfolgt sofort eine Quantisierung. Über die Impulsleitung wird eine Zurückstellung der Kerne erreicht. Bei dieser Anordnung ist für jede Binärzahl mindestens ein Kern erforderlich. Dadurch wird der apparative Aufwand erheblich vergrößert. Weiterhin wird die Meßgenauigkeit überwiegend durch die ferromagnctischcn Eigenschaften des Kernmaterials bestimmt.

Schließlich wird in der DT-OS'20 16 406 eine Kompensationseinrichtung angegeben, die von einem Oszillator ausgeht, der den Kern speist. Eine Feinkompensation erfolgt über einen Flußdetektor, der den Magnetfluß im Kern mißt. Dieser Detektor weist zwei gegeneinandergeschaltete Windungen auf und kann sehr einfach gehalten sein. Darüber sind jedoch keine weiteren Angaben gemacht worden. Wird dagegen nur eine Detektorwicklung verwendet, so ist ein Analog-Digital-Wandler erforderlich. Auch für den Kern selbst sind keine Besonderheiten angegeben. Auch für diese Einrichtung ist ein erheblicher apparativer Aufwand erforderlich, da zur Analog-Digital-Wandlung ein spezieller elektronischer Analog-Digital-Wandler benötigt wird.

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

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Induktionsspannung differenziert wird und die durch Einwirkung des Meßstromes auf den Kern auftretende zeilliche Verschiebung der Nulldurchgänge der differenzierten Induktionsspannung als Maß für die Stärke und Richtung des zu messenden Stromes verwendet wijd.

Um den Zeitpunkt des Nulldurchganges zu markieren, wird in einer zweiten Ausbildung der Erfindung die differenzierte Induktionsspannung einem Spaniiungskomparator zugeführt, des?eⁿ 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 Vormagnetisierungswickiungen in Gegenreihe geschaltet, während die Ausgänge der Komparatoren elektrisch in geeigneter Weise gegeneinandergeschaltet werden.

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

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

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.-

F i g. 1 zeigt den Aufbau der Anordnung zur potentialfreien Messung von Gleichströmen mit Hilfe einer einzigen Spule mit Kern. Eine Wechselstromquelle 1 liefert entweder einen sinusförmigen oder dreieckförmigcn Wechselstrom /,. in die Vormagnetisierungswicklung 2 eines Kerns 3 aus weichmagnetischem Material. Der Kern 3 ist an einer Stelle 4 im Querschnitt vermindert. Über dem verminderten Querschnitt erstreckt sich die Induktionswicklung und darüber längs des Schenkels mit der Einschnürung die Meßwicklung 6, die den zu messenden Strom führt. Die von der Induktionswicklung 5 gelieferte Spannung M₁- gelangt über ein Differcnzicrglied 7. das im einfachsten Falle aus einer CR-Kombination bestehen kann, auf einen Sparmiirigskonrparator 8. der die Ausgangsspannung u_s liefert.

Die Wirkungsweise des Meßverfahrens ist in Fig. 2 dargestellt. Die Magnctisierungskennlinie des

weichmagnetischen Kerns wird unter Vernachlässigung der Hysterese und Wirbelstromverluste durch einen eindeutigen Kurvenzug dargestellt (Fig. 2b). Die hier zeitlich dreieckförmig verlaufende Vormagnetisierungsdurchfiutung Θ_ν und die Meßdurchfiutung 0_m addieren sich in ihrer Wirkung auf den Kern, wobei sich die Größe der Kerndurchflutung über die Windungszahlen der Wicklungen aus deren Strömen ergibt (F i g. 2 a). 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 Differentialquotienten der Flußdichte B im Kern (Fig. 2d). Es zeigt sich, daß die Extrema der Induktionsspannung sich unter Einwirkung des zu messenden Stromes I_m um den Betrag / · i₀ verschieben. Die Größe 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 (F i g. 2 e) und deren zeitliche Verschiebung um den Betrag / · f₀ wiederum die Größe und Richtung des zu messenden Feldes enthält, wobei die Amplitude des zu messenden Feldes durch den zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Nulldurchgänge — hier Impulsbreite genannt — und die Richtung durch das zeitliche Verhältnis der Impulsbreiten innerhalb einer Periode dargestellt ist. Um den Zeitpunkt des Nulldurchgangs für eine Auswertung mit handelsüblichen Geräten scharf zu markieren, kann die differenzierte induzierte Spannung einem Spannungskomparator zugeführt werden, der im Nulldurchgang der differenzierten Induktionsspannung seine Ausgangsspannung sprunghaft ändert, an den aber hinsichtlich seiner Ausgangsspannung keine besonderen Forderungen gestellt werden. Auch hier ist wieder in der Impulsbreite, d. h. dem Abstand zweier aufeinanderfolgender Ausgangsspannungssprünge, die Amplitude des zu messenden Stromes und im Impulsbreitenverhältnis innerhalb einer Periode die Richtung des zu messenden Stromes enthalten.

Eine andere Möglichkeit zur Auswertung der Nulldurchgänge ist durch einen Spannungskomparator gegeben, der im Nulldurchgang der differenzierten Induktionsspannung sprunghaft die Polarität seiner Ausgangsspannung bei konstanter Amplitude wechselt. Die vom Komparator abgegebene Spannung i/, ist eine Rcchtcckspannung, deren Rechteckbreitc / · τ, bzw. / · t„ nur von der Größe des zu messenden Stromes I_n, abhängt (Fi g. 2f).

/·„., = 0,5 ±2/-i_o(/J

In dieser Gleichung bedeutet / die Frequenz, τ die Rechteckbreite und f₀ (I_n,) die zeitliche Verschiebung der Nulldurchgängc unter Einwirkung des zu messenden Stromes. Hiermit läßt sich neben der Möglichkeit einer digitalen Auswertung der Rechteckbreiten vorteilhaft auch auf einfache Weise ein analoger Wert erhalten, in dem die Spannung w, einem Spannungsmesser zugeführt wird, der den arithmetischen Mittelwert anzeigt.

Den Aufbau einer Differenzanordnung mit zwei Kernen zur potentialfreien Messung von Gleichströmen zeigt die Fig. 3. Eine Wechselslromqucllc 10, die auch hier wieder einen zeitlich dreieck- oder sinusförmig verlaufenden Strom liefern kann, speist die beiden in Gegenreihe geschalteten Vormagnetisierungswicklungen 11 und 11' auf den Kernen 12 und 12'. Die Meßwicklungen 13 und 13', die den Strom I_m führen, werden in Reihe geschaltet. Die Induktionswicklungen 14 und 14' speisen getrennt die gleichartigen Differenzierglieder 15 und 15' und die Spannungskomparatoren 16 und 16'. Die Ausgänge der Spannungskomparatoren, welche die Spannung w_sl und u_s2 liefern, sind gegeneinandergeschaltet.

Die Gegeneinanderschaltung ergibt eine resultierende Spannung der Größe u_g.

Die Wirkungsweise der Differenzanordnung wird an Hand von Fig. 4 erläutert. Die Magnetisierungsschleife des Sondenkerns wird wieder durch einen eindeutigen Kurvenzug dargestellt (Fig. 4b). Die Vorrnagneiisierungsdurchflutungen und die MeB-durchflutungen addieren sich in ihrer Wirkung auf die einzelnen Kerne. Die resultierende Durchflutung in Kern 12 ist gegenüber der Durchflutung in Kern 12' um / · t = 0,5 phasenverschoben (Fig. 4a). Entsprechend ergeben sich in den Kernen 12 und 12' zwei um / · / = 0,5 phasenverschoben Flußdichten S (F i g. 4 c). 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 16 und 16' erhält man dann zwei Rechteckspannungen u^ , b^w. u$ „ mit der Rechteckbreite / · τ, bzw. / ■ T₂ (Fig. 4d). Werden die beiden Spannungen jetzt gegeneinandergeschaltet, so ergibt sich als Gesamtausgangsspannung h„ eine Folge von Rechteckimpulsen mit der Breite 1 ■ τ,/2, wobei

ist. Die Impulse folgen im Abstand / · / —- 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 VormagnctisierungsdurchfluUing auf den Meßkreis vermindert.

Die mit der Erfindung crziclbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der zeitliche Abstand zwei aufeinanderfolgender Nulldurchgängc als Maß für den zu messenden Gleichstrom I_n, benutzt wird, anstatt, wie bei den bisherigen Ausführungen, die Höhe der Amplitude einer Wechselspannung. Dadurch ist unter Umgehung eines Analog-Digital-Wandlcrs eine sehr einfache und fehlerfreie Digitalisierung des Meßwertes möglich. Werden die Null· durchgängc der Wechselspannung durch einen Span nungskomparator bewertet, so lassen sich die Meß werte des Gleichstroms ohne Informationsvcrlus selbst bei Störungen und Nichtlincaritätcn der Über tragungsstrecke über weite Entfernung übertragen Im Gegensatz zu den bisherigen Meßanordnungei lassen sie sich mit wenigem Aufwand regenerieret und verstärken.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur potentialfreien Messung von Gleichströmen mit direkter Zeitverschlüsselung, bestehend aus einer Spule mit wenigstens drei getrennten Wicklungen, die einen magnetisierbarer! Kern besitzt, dessen Magnctisierungsschleife mil Hilfe einer Vormagnetisierimgswicklung bis in die Sättigung gesteuert wird, wobei eine Meßwicklung den zu messenden Strom führt, während eine Induktionswicklung über die Fiußdichte im Kern die 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 der. zu messenden Stromes verwendet wird. ^zo

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 sich im Nulldurchgang der differenzierten Induktionsspannung sprunghaft ändert.

3. Verfahren zur potentialfreien Messung von Gleichströmen mit direkter Zeitverschlüsselung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Anordnungen, bestehend aus je einer Spule mit drei Wicklungen und magnetisierbarem Kern, Differenzierglied und Spannungskomparator, wobei die Vormagnetisierungswicklungen in Gegenreihe und die Meßwicklungen in Reihe geschaltet sind, an den Ausgängen der Komparatoren derart elektrisch miteinander verbunden sind, daß der zeitliche Abstand zweier Auseangsspannungssprünge entgegengesetzter Richtung ein Maß für den zu messenden Gleichstrom ist.

4. Verfahren zur potentialfreicn 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.