DE2112315C3 - Verfahren zur potentialfreien Messung von Gleichströmen mit direkter Zeitverschlüsselung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur potential- JJ™^

freien Messung von Gleichströmen mit direkter Zeit- 65 Kerne ^n0CJ ^{eine c r} _{der d}|_{nn dic Spannung}

verschlüsselung bestehend aus emer Spule mit we- ^ ^a™f ™_h abgenommen wird Auch

^ c

freien Messung von Gleichströmen mit direkter Ze 5 J _{der d}|_{nn dic Spannung}

verschlüsselung, bestehend aus emer Spule mit we- ^ ^a™f ™_chen abgenommen wird. Auch S^CSÄiS; STSS^Ut einfach im Aufbau, sie be-

sitzt 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 Messung von Gleichströmen wird wieder ein Kern aus magnetisierbarem Material benutzt, der eine Vormagnetisierungs- und eine Meßwicklung trägt, jedoch wird hier der Kern durch die Vormagnetisierungsdurchflutung nicht bis in die Sättigung ausgesteuert (vgl. W. A. Geyger »Nonlinear magnetic control device«, New York—Toronto—London 1964). Ausgenutzt wird die Änderung der Induktivität der VormagnetisierungswL-klung 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 wine 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 1017 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 ferromagnetische): Eigenschaften des Kernmaterials bestimmt.

Schließlich wird in der DT-OS 20 Io 406 eine Kompensationseinrichtung angegeben, die von einem Oszillator ausgeht, der den Kern speist. Eine Feincompensation 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 Nichtlinearitäten der Übertragungsstrecke 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 det; Meßstromes auf den Kern auftretende zeitliche Verschiebung der NuIldurchgänge der differenzierten Induktionsspannung als Maß für die Stärke und Richtung des zu messenden Stromes verwendet 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 Meßvvicklung 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 gegeneinandergeschaltet werden.

Um die Steilheit des Nulldurchganges 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 magnetisierbar Spulenkern über eine bestimmte Länge des Kerns im Querschnitt vermindert und die Induktionswicklung über der Querschnittsverminderung angeordnet.

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 Meßoder 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 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 dreieckförmigen 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 5 und darüber längs des Schenkels mit der Einschnürung die Meßwicklung 6, die den zu messenden Strom führt. Die von der Induktionswicklung 5 gelieferte Spannung w,- gelangt über ein Differenzierglied 7, das im einfachsten Falle aus einer C7?-Kombination bestehen kann, auf einen Spannungskomparator 8, der die Ausgangsspannung w_s liefert.

Die Wirkungsweise des Meßverfahrens ist in F i g. 2 dargestellt. Die Magnetisierungskennlinie des

weichmagnetischen Kerns wird unter Vernachlässigung der Hysterese und Wirbelstromverluste durch einen eindeutigen Kurvenzug dargestellt (Fig. 2b). Die hier zeitlich dreieckförmig verlaufende Vormagnetisierungsdurchflutung Θ_ν und die Meßdurchflutung Q_n, 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 (F ί g. 2 c). Die in der Induktionswicklung induzierte Spannung U₁ 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 (Fig. 2e) und deren zeitliche Verschiebung um den Betrag / · /₀ 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 u_s ist eine Rechteckspannung, deren Rechteckbreite / · τ, bzw. / · T₂ nur von der Größe des zu messenden Stromesl_m abhängt (Fig. 2f).

/•_ri,₂ = 0,5±2/-i₀(/J

In dieser Gleichung bedeutet / die Frequenz, τ die Rechteckbreite und t₀ (/_m) die zeitliche Verschiebung der Nulldurchgänge 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 u_s einem Spannungsmesser zugeführt wird, der den arithmetischen Mittelwert anzeigt.

Den Aufbau einer Differenzanordnung mit zwe Kernen zur potentialfreien Messung von Gleich strömen zeigt die Fig. 3. Eine Wechselstromquell· 10, die auch hier wieder einen zeitlich dreieck- ode sinusförmig verlaufenden Strom liefern kann, speis die beiden in Gegenreihe geschalteten Vormagnetisie rungswicklungen 11 und 11' auf den Kernen 12 unc 12'. Die Meßwicklungen 13 und 13', die den Strorr I_n, führen, werden in Reihe geschaltet. Die Induk-

ίο tionswicklungen 14 und 14' speisen getrennt die gleichartigen Differenzierglieder 15 und 15' und die Spannungskomparatoren 16 und 16'. Die Ausgänge der Spannungskomparatoren, welche die Spannung M_S1 und «s₂ liefern, sind gegeneinandergeschaltet.

Die Gegeneinanderschaltung ergibt eine resultierende Spannung der Größe u_g.

Die Wirkungsweise der Differenzanordnung wird an Hand von F i g. 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 12 ist gegenüber der Durchflutung in Kern 12' um / ■ / = 0,5 phasenverschoben (Fig. 4a). Entsprechend ergeben sich in den Kernen 12 und 12' zwei um / · I = 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 16 und 16' erhält man dann zwei Rechteckspannungen u_Sl bzw. M_{5 5} mit der Rechteckbreite / ■ τ, bzw. / · T₂

(Fig. 4d). Werden die beiden Spannungen jetzt gegeneinandergeschaltet, so ergibt sich als Gesamtausgangsspanming u„ eine Folge von Rechteckimpulsen mit der Breite / · τ,/2, wobei

/•t₃=4/-/₀(//J

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 Vormagnetisierungsdurchflutung auf den Meßkreis vermindert.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile be-

stehen insbesondere darin, daß der zeitliche Abstand zwei aufeinanderfolgender Nulldurchgänge als Maß für den zu messenden Gleichstrom I_n benutzt wird, anstatt, wie bei den bisherigen Ausführungen, die Höhe der Amplitude einer Wechselspannung. Da-

durch 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

einer Vormagnetisierungswicklung wird, wobei eine Meß- SaSspS

1. Verfaliren zur potentialfreien Messung von _Induktionsspannung liefert

Gleichströmen mit direkter Zeitverschlusselung, 5 die^nau H _{Bedeumng dieser} Verfahren beruht

u^u^j ,„_s .iner Smile mit wenigstens drei ge- ^ie w»^ _{hpR TrennU}ng von Meß- und An-

£ T/di i magnetisierbarer! ^^Vf^fd i di St

j ,„_s .iner Smile mit wenigstens drei g ^ ^ _{hpR TrennU}ng von

tre™£n wTckmngen/die einen magnetisierbarer! ^^Vf^daufder Möglichkeit, die Strommessung Kern besitzt, dessen Magnetisierungsschleite mit ^ = durchzuführen. .

Safe einer Vonnagnetisierungswicklung bis in die ^νε^™,4 _können Gleichstrome potentialfrei Sä igung gesteuert wird, wobei eine Meßwicklung io ?JS„ _gemeSsen werden, die mindestens zwei den L messenden Strom führt, während eine In- durchSpule g ^ ^ _{Kcm tlsier}.

duktionswicklung über die Flußdichte ra Kern W'C»" , ^.^ Magnet.s.erungs-

die Induktionsspannung liefert, dadurch ge- barem y vormagnetisierungswechseldurch-

kennzeichnet, daß die Induktionsspannung schtofe dur ^ _{ausgesteuert wird} (vgL

differenziert wird und die durch Einwirkung des 15 ™^tim°_{ämer ))Neu}er Gleichstromwandler« ATM Meßstroms auf den Kern auftretende zeitliche «f Kra ^ ^ _dne Wicklung, die MeB-

Verschiebung der Nulldurchgän.ge der differen- V-u,j). ^ ^ _messenden Gleichstrom durchzierten Induktionsspannung als Maß fur die ™ⁿ-,_{ährend die} andere, die Vormagnetisierungs-Stärke und Richtung des zu messenden Stromes "°^s^ⁿ' _{an einer} Wechselspannungsquelle zur Erverwendet wird. _t ²⁰ "™Z der Vormagnetisierungswechseldurchflutung

2. Verfahren zur potenüalfreien Messung von «"fg ■ _{der M}eßwicklun_g fließende Strom prägt Gleichströmen mit direkter Zeitverschlusselung hegt, ue _{die Vorma}g_netisierungswicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mro ^ _Halbwelle der Wechse spannung die differenzierte Induktionsspannung einem wanr .. _rechteckförmigen Verlauf auf Die Spannungskomparator zugeführt wird, dessen =5 einen . rechteckförmigen Stromverlaufs ist Ausgangsspannung sich im Nulldurchgang der J^mP^_{ß des} Steuerstroms proportional und ihre differenzierten Induktionsspannung sprunghaft ^^r _fio' _{Pr2ibt sic}h aus dem Windungsverhaltnis von ändert. _Λ, M_eß zu^'ormacnetisierungswicklung Um diesen

3. Verfahren zur potcntialfre.cn Messung von MeD _{hnisch auszunu}tzen, schaltet man ub-Gleichströmen mit direkter Zeitverschlüsselung 30 |r^neKl " ; _{der obcn} beschriebenen Anordnunnach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn- 'icncr _Meßwick!ungen in Reihe und mit ihren zeichnet, daß zwei Anordnungen, bestehend aus gen π _{isierun ick}|_ungcn in Gegenreihe.

je einer Spule mit drei Wickinngen und magneti- ^v" A , _{tritt in den} Vormagnetisierungsvvicklunsierbarem Kern, Differenzierglied und Span- "^a?^ur · _rechteckförmiger Strom auf, dessen Am-

nungskomparator, wobei die Vormagnetisierungs- 35 gen em rein _Gleichrichtung mit einer Diodenwicklungen in Gegenreihe und die Meßwicklun- Plüude ™*J^ _{ejn Maß f}> _{den in der} Meßwickgen in Reihe geschaltet sind, an den Ausgangen b "^emcna g _{Dje Meßanordnung ist ein}. der Komparatoren derart elektnsch miteinander lung ^™ _{fu uber eine gute} Linearität, verbunden sind, daß der zeitliche Abstand ^'"^„Jiachtcil. daß die Stromrichtung nicht zweier Ausgangsspannungssprünge entgcgenge- 40 hat aber-am ) ^ _{jm Bcreich des} setzter Richtung ein Maß für den zu messenden ^^s „ntetinunt ist. . Gleichstrom ist. "K ' _andercn Methode zur potentialfreien Mes-

4. Verfahren zur potentialfreien Messung von ,^"ο^η,^η wird ebenfalls ein Kern aus Gleichströmen mit direkter Zeitverschlusselung ^J^^^^aterial benutzt, der eine Vornach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß 45 ^maS™™J^m _Un_{d cine} Meßwicklung trägt (vgl. der magnetisierbare Kern der Spule an e.ner Stelle magnet sie ungs _{>>Gleichstrommessung<<) A}TM im Kernquerschnitt vermindert ist und daß sich K. Kotisiep ^^ ^^ _Wechselstrom über dieser Stelle die Induktionswicklung be- ^^^'kierungswicklung bis in den Sätti-

i di S

über di ^^^kierungswicklung b findet. ,„chprpirh lusecsteuert. Dadurch ist die Spannung

5. Verfahren zur potentialfreien Messung von 50 ^^^Serungswicklung nicht mehr

Gleichströmen mit direkter Zeitverschlusselung J^r der Vormag fc ^ ^ _m^

nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet daß ^ormig, und _{mcssende strQm h NuUj}

die differenzierte Induktionsspannung der Spule »*™™^e _{un dzahlig}e Harmonische vorhanden, einem Spannungskomparator zugeführt wird de so sind m ung b ^ ^ _{vcrschicdcn> s0}

sen Ausgangsspannung im Nulldurchgang der 55 Ist dagegen ^α Harmonische auf. Hauptdifferenzierten Induktionsspannung die Polarität tretend}^^Ζί ξ _{der zwciten H}armonihci konstanter Amplitude sprunghaft wechselt. ;™_aV_Maß für die Größe des Gleichstroms in der

Meßwicklung benutzt. Man schaltet üblicherweise 60 zwei der beschriebenen Anordnungen mit ihren MeB-

wicklungen in Reihe und mit den Vormagnetisie-

runeswicklungen in Gegenreihe und erreicht damit eine Unterdrückung der störenden ungeradzahligen