DE2300802A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR POTENTIAL-FREE CURRENT MEASUREMENT - Google Patents
CIRCUIT ARRANGEMENT FOR POTENTIAL-FREE CURRENT MEASUREMENTInfo
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Description
"Schaltungsanordnung zur potentialfreien Strommessung" Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum potentialfreien Messen von Gleichströmen und/oder Wecselströmen in Stromkreisen mit hohem Innenwiderstand, bei der der zu messende Strom einen geschlossenen Kern aus magnetisch sättigbarem Material durchflutet. "Circuit arrangement for potential-free current measurement" The present The invention relates to a circuit arrangement for potential-free measurement of direct currents and / or alternating currents in circuits with high internal resistance, in which the to measuring current flows through a closed core made of magnetically saturable material.
Das Messen von Strömen mittels potentialtrennender Anordnungen ist insbesondere in den Fällen erforderlich, in denen sich die stromführenden Leiter (Primärkreis) auf Hochspannungspotential befinden, z.B. bei den Kathoden- und Anodensuleitungen der Röntgendiagnostik-Röhren. Aus Gründen der Störsicherheit wird dabei vielfach gefordert, daß möglichst keine elektronischen oder elektromechanischen Bauelemente in den Primärkreis (auf Hochspannungspotential) eingefügt werden dürfen. Darüber hinaus soll die Strommeßeinrichtung, z.B. als Istwertaufnahmer für Regelungszwecke, eine möglichst hohe Grenzfrequenz besitzen.The measurement of currents by means of potential separating arrangements is especially required in cases where the current-carrying conductors (Primary circuit) are at high voltage potential, e.g. for the cathode and anode cables the X-ray diagnostic tubes. For reasons the interference immunity becomes It is often demanded that there should be no electronic or electromechanical Components may be inserted into the primary circuit (at high voltage potential). In addition, the current measuring device, e.g. as an actual value recorder for control purposes, have the highest possible cutoff frequency.
Bekannte Schitungsanordnungen zur potentialtrennenden Strommessung ohne elektronische oder elektromechanische Bauelemente im Primärkreis arbeiten nach dem Prinzip der Erfassung des mit dem Primärstrom verkoppelten Magnetfeldes.Known circuit arrangements for electrically isolating current measurement work without electronic or electromechanical components in the primary circuit the principle of detecting the magnetic field coupled with the primary current.
Der Bestimmung des-Magnetfeldes mittels Halbleiter unter Ausnutzung des Hall-Effektes haftet der Nachteil oft erheblicher Nullpunktsdrift an.The determination of the magnetic field by means of semiconductors under utilization the Hall effect often has the disadvantage of considerable zero point drift.
Gleichstromwandler nach dem Prinzip der Durchflutungskompensation haben unter anderem den Nachteil, daß sie Primärdurchflutungen voraussetzen, die groß gegen die Sättigungsdurchflutung sind (z.3. bei einer nach dem Prinzip des Gleichspannungssätigungswandlers arbeitenden Schaltung -ATM, Peb. 1964, S. R 13 - R 24), wobei der Magnetisierungsstrom des Wandlerkerns im allgemeinen als vernachlässigbar angenommen wird.DC converter based on the principle of flow compensation have, among other things, the disadvantage that they require primary flows that are large compared to the saturation flow (e.g. 3 DC voltage confirmation converter operating circuit -ATM, Peb. 1964, p. R 13 - R 24), whereby the magnetizing current of the converter core is generally considered to be negligible Is accepted.
Eine bekannte Schaltungsanordnung zur Messung magnetischer Feldstärken, die unterhalb der Sättigungsfeldstärke des verwendeten magnetischen Materials liegen (Meßtechnik 10 (1970) S. 205 - 209), benutst einen zeitlich dreieckförmigen, symmetrisch zu Null verlaufenden Strom zur Vormagnetisierung des Materials und wertet die durch das zu messende Magnetfeld hervorgerufene Verschiebung der Nulldurchgänge der Induktion B als zeitverschlüsselte Meßgröße für das Magnetfeld aus. Diese Anordnung ist im Prinzip auch für die Messung kleiner Durchflutungen eines geschlossenen Kerns anwendbar, hat Jedoch den Nachteil, daß der Zustand 3 = 0 nur bei Materialien mit ausgeprägtem Wendepunkt bei B = 0 leicht zu detektieren ist, der sich überdies auch bei starker Vormagnetisierung durch des Primärstrom aus seiner Lage bei 3 = 0 nicht verändern darf, wenn Linearitätsabweichungen bei der Messung vermieden werden sollen.A known circuit arrangement for measuring magnetic field strengths, which are below the saturation field strength of the magnetic material used (Messtechnik 10 (1970) pp. 205-209), use a triangular, symmetrical one current running to zero for the premagnetization of the material and evaluates the the displacement of the zero crossings of the induction caused by the magnetic field to be measured B as a time-coded measured variable for the magnetic field. This arrangement is in Principle can also be used for measuring small penetrations in a closed core, However, it has the disadvantage that the state 3 = 0 only applies to materials with pronounced Turning point is easy to detect at B = 0, which, moreover, can be detected even with strong premagnetization due to the primary current from its position at 3 = 0 must not change if there are linearity deviations should be avoided during the measurement.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die die genannten Nachteile und Schwierigkeiten bekannter Schaltungen vermeidet.It is the object of the present invention to provide a simple circuit arrangement of the type described above to indicate the disadvantages and difficulties mentioned known circuits.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kern mittels einer ansteuerbaren Stromquelle mit linear mit der Zeit ansteigendem oder abfallendem (Pump-) Strom in gleichem Maße abwechselnd in beide Sättigungsrichtungen ausgesteuert wird, daß in einer Komparatorschaltung die Zeitpunkte des Erreichens symmetrisch zu Null liegender Sättigungswerte des Kerns aus einer in einer Zusatzwicklung des Kerns induzierten Spannung festgestellt werden, und daß zu diesen Zeitpunkten die Stromquelle Jeweils umgesteuert wird, wobei der zeitliche Mittelwert des Pumpstromes als Maß für den zu messenden Strom dient. Durch das mit einer Frequenz, die groß ist im Vergleich zur Frequenz des zu messenden Stromes, vorgenommene symmetrische Magnetisieren des preises ergibt sich ein Mittelwert des Pumpstromes, der dem zu messenden Primärstrom proportional ist. Die Primärdurchflutung wird, unabhängig von ihrer Größe im Vergleich zur Durchflutung durch den Pumpstrom und ihren Vorzeichen, durch eine Meßspannung angegeben, welche durch Herausfiltern des hochfrequenten Pumpspektrums aus dem Pumpstrom gewonnen wird.This object is achieved in that the core means a controllable current source with a linear increase or decrease over time (Pump) current controlled alternately in both saturation directions to the same extent becomes that in a comparator circuit the times of reaching are symmetrical saturation values of the core that are too zero from one in an additional winding of the Kerns induced voltage can be determined, and that at these times the Current source is reversed in each case, the mean value of the pump current over time serves as a measure for the current to be measured. By doing that with a frequency that is great is symmetrical compared to the frequency of the current to be measured Magnetizing the price results in a mean value of the pumping current, which leads to the measuring primary current is proportional. The primary flow becomes independent their size compared to the flow through the pump current and their sign, indicated by a measuring voltage, which by filtering out the high-frequency Pump spectrum is obtained from the pump current.
Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird im folgenden die Erfindung näher erläutert.Based on the exemplary embodiments shown in the drawing the invention is explained in more detail below.
Es zeigen: Fig. 1a - 1d ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung als Blockschaltbild einschließlich des Verlaufs wichtiger Signale, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Komparatorschaltung, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stromquellenschaltung, Fig. 4 ein Beispiel für die erfindungsgemäße Filterschaltung.They show: FIGS. 1a-1d an exemplary embodiment of the invention Circuit as a block diagram including the course of important signals, Fig. 2 shows an exemplary embodiment of the comparator circuit according to the invention, FIG Embodiment of the current source circuit according to the invention, FIG. 4 shows an example for the filter circuit according to the invention.
In Fig. 1a wird der den zu messenden Strom i1 führende Leiter 1 durch den geschlossenen magnetischen Kreis 4, der hier durch einen Ringkern dargestellt ist, geführt. Mehrfachdurchflutung ist ebenfalls möglich. Das magnetische Material 4 wird durch das zu i1 gehörende magnetische Feld H1 vormagnetisiert. Von einer Stromquellenschaltung 20 wird din linear ansteigender (Pump-) Strom ip durch die Hilfswicklung 3 und den Stromsapannungswandler 30 getrieben.In FIG. 1a, the conductor 1 carrying the current i1 to be measured is through the closed magnetic circuit 4, which is represented here by a toroidal core is led. Multiple flooding is also possible. The magnetic material 4 is premagnetized by the magnetic field H1 belonging to i1. From one Current source circuit 20 is din linearly increasing (pump) current ip through the Auxiliary winding 3 and the current voltage converter 30 driven.
Es gilt für den Stromverlauf, wenn der Anfangsstrom Null ist: wobei ipo und T Konstanten sind (Fig. 1b). Durch das mit ip verbundene magnetische Feld Hp wird der Kern 4 zusätzlich magnetisiert. Sobald die Sättigung erreicht ist, nimmt die durch ip hervorgerufene Anderung des magnetischen Flusses in 4 stark ab. Die in einer Hilfswicklung 2 induzierte Spannung u8t brinht infolgedessen zusammen (Fig. 1c).The following applies to the current curve when the initial current is zero: where ipo and T are constants (Fig. 1b). The core 4 is additionally magnetized by the magnetic field Hp connected to ip. As soon as saturation is reached, the change in the magnetic flux in 4 caused by ip decreases sharply. The voltage u8t induced in an auxiliary winding 2 consequently brings together (FIG. 1c).
In einer mit 2 verbundenen Komparatorschaltung 10 mit hochohmigem Eingang wird die in 2 induzierte Spannung ust mit einer einstellbaren Schwellspannung uk verglichen.In a comparator circuit 10 connected to 2 with high resistance The input is the voltage ust induced in 2 with an adjustable threshold voltage uk compared.
Unterschreitet /ust/ die Schwelle uk (zeitpunkt t1), so wird von 10 ein Signal 19 an die Stromquellen-Schaltung 20 abgegeben, das bewirkt, daß ip seine Steigungsrichtung umkehrt: Hierauf werden nacheinander die Bereiche 6 und 7 der Hysteresekurve (Fig. 1d) durchlaufen, bis erneut Sättigung eintritt (Zeitpunkt t2). Dieser Zustand wird in gleicher Weise von der Komparatorschaltung 10 erkannt und durch das Signal 19 an die Stromquellenschaltung 20 gemeldet, wo dadurch die Richtung des Anstiegs von ip erneut umgepolt wird. Es erfolgt dann das Magnetisieren des Kerns in den Bereichen 8 und 5 der Hysteresekurve Diese Vorgänge wiederholen sich periodisch.If / ust / falls below the threshold uk (instant t1), 10 emits a signal 19 to the current source circuit 20, which causes ip to reverse its direction of increase: Areas 6 and 7 of the hysteresis curve (FIG. 1d) are then traversed one after the other until saturation occurs again (time t2). This state is recognized in the same way by the comparator circuit 10 and reported by the signal 19 to the power source circuit 20, where the polarity of the rise of ip is reversed again as a result. The core is then magnetized in areas 8 and 5 of the hysteresis curve. These processes are repeated periodically.
Da die Hysteresekurve des Kerns symmetrisch durchlaufen wird, d.h. Jeweils bis zu einander entsprechenden Punkten im positiven und negativen Sättigungsbereich, in denen die B-H-Eurve betragsmäßig die gleiche Steigung hat, ist der zeitliche Mittelwert der gesamten magnetischen Feldstärke im Kern für einen Umlauf der Hysteresekurve: ges = H1 + Hp (t) = 0 Daraus folgt wegen der Proportionalität der Feldstärken zu den Durchflutungsströmen: ip = k . i1 wobei k eine Konstante ist. In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erhält der Pumpstrom ip also infolge der Signalrückführung über der Kern einen Mittelwert ip, der dem in einer Ummagnetisierungsperiode als konstant angenommenen zu messenden Strom i1 proportional ist.Since the hysteresis curve of the core is traversed symmetrically, i.e. Up to corresponding points in the positive and negative saturation range, in which the B-H-Eurve has the same slope in terms of amount is the temporal one Average value of the total magnetic field strength in the core for one revolution of the hysteresis curve: ges = H1 + Hp (t) = 0 From this it follows because of the proportionality of the field strengths the flow currents: ip = k. i1 where k is a constant. In the invention Circuit arrangement receives the pump current ip as a result of the signal feedback the core has a mean value ip, which is constant in a period of magnetization reversal assumed to be measured current i1 is proportional.
Die Mittelwertbildung wird in einem Filter 40 vorgenommen, in dem die Anteile des Pumpfrequenzspektrums herausgesiebt werden. Das geschieht in bekannter Weise durch ein Tiefpaßfilter oder in einer Schaltungsvariante (Fig. 4) mit Hilfe von zwei Sample-and-Hold-Schaltkreisen und einer Additionsstufe. Hierbei werden die in den Umschaltzeitpunkten (t1, t2 ...) ) vorhandenen Stromwerte ip in analoger Form abwechselnd in zwei Speicherkondensatoren zwischengespeichert, z.B.The averaging is carried out in a filter 40, in from which the portions of the pump frequency spectrum are screened out. That happens in known way by a low-pass filter or in a circuit variant (Fig. 4) with the help of two sample-and-hold circuits and an addition stage. Here the current values ip in analog form alternately buffered in two storage capacitors, e.g.
ip (tk) = ip + ipo ip (tk+1 )=ip - ipo Das Ausgangssignal um als Summe dieser beiden Werte beträgt dann 2ip Diese Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß sie bei minimalem Filteraufwand eine hohe Grenzfrequenz des zu messenden Stromes zuläßt, wobei allerdings - in Ubereinstimmung mit dem Abtasttheorem - eine mit der Frequenz zunehmende Treppenform des Ausgangssignals auftritt. Dieses läßt sich mit Hilfe bekannter Siebschaltungen auf einfache Weise glätten. ip (tk) = ip + ipo ip (tk + 1) = ip - ipo The output signal as The sum of these two values is then 2ip This circuit arrangement has the advantage that they have a high cut-off frequency of the current to be measured with minimal filter effort allows, although - in agreement with the sampling theorem - one with the Frequency increasing staircase shape of the output signal occurs. This can be done with Smooth with the help of known filter circuits in a simple manner.
Anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 wird der Aufbau und die Funktion einer Komparatorschaltung zur Realisierung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beschrieben. Die in Wicklung 2 induzierte Steuerspannung ust wird über zwei Umschalter (11, 12) zwischen den hochohmigen Eingang 131 eines Komparators 13 und einen Massepunkt der Schaltung gelegt. Der Komparator besitzt eine am Widerstand 132 einstellbare Schaltschwelle (uk in Fig. 1b) und infolge positiver Rückführung (133) eine Hysterese zur Vermeidung von Schwingungen im Umschaltbereich. Die positive Flanke seines Ausgangssignals 134 triggert eine bistabile Kippstufe (J-E-Flipflop) 14, die bei Jeder Triggerung ihr Ausgangssignal (19) invertiert.Using an exemplary embodiment according to FIG. 2, the structure and the function of a comparator circuit for realizing the circuit arrangement according to the invention described. The control voltage ust induced in winding 2 is switched via two changeover switches (11, 12) between the high-resistance input 131 of a comparator 13 and a ground point the circuit. The comparator has an adjustable via resistor 132 Switching threshold (uk in Fig. 1b) and as a result of positive feedback (133) a hysteresis to avoid vibrations in the switchover area. The positive edge of its output signal 134 triggers a bistable multivibrator (J-E flip-flop) 14, which is triggered every time their output signal (19) is inverted.
Durch das Signal 19 wird die Spannung u5t, deren Polarität von der Steigungarichtung des Stromes i ip abhängt, synchron zu ip mittels der Schalter 11 und 12 umgepolt, so daß für beide Sättigungsmagnetisierungsrichtungen des Kerns der gleiche Komparator 13 verwendet werden kann, was für die Symmetrie der Kerneättigung von Vorteil ist. Als Schalter sind hierbei und im folgenden vorzugsweise elektronische Schalter (Feldeffekttransistoren) vorgesehen.The signal 19 is the voltage u5t, the polarity of which depends on the Direction of slope of the current i ip depends, synchronously with ip by means of the switch 11 and 12 reversed in polarity, so that for both directions of saturation magnetization of the core the same comparator 13 can be used, what for the symmetry of the core saturation is beneficial. The switches here and in the following are preferably electronic Switches (field effect transistors) are provided.
Das Signal 19 dient andererseits zum Umschalten des Schalters 21 der Stromquellenschaltung 20 (Fig. 3), wodurch abwechselnd eine positive oder negative stabilisierte Spannung (U/2) auf den Eingang eines Integrators 22 geschaltet wird, dessen linear mit der Zeit ansteigende oder abfallende Ausgangsspannung einem Leistungsverstärker 23 mit hoher Verstärkung zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 23 ist ein linear ansteigender oder abfallender Strom ip, der an einem Meßwiderstand 30 eine Spannung 39 abfallen läßt,die auf den invertierenden Eingang des Leistungsverstärkers 23 zurückgeführt wird.The signal 19 is used on the other hand to switch the switch 21 of the Power source circuit 20 (Fig. 3), whereby alternately a positive or negative stabilized voltage (U / 2) is switched to the input of an integrator 22, its output voltage, which increases or decreases linearly with time, to a power amplifier 23 is supplied with high gain. The output of amplifier 23 is a linearly increasing or decreasing current ip, which is applied to a measuring resistor 30 a voltage 39 drops which is applied to the inverting input of the power amplifier 23 is returned.
Durch zwei weitere Komparatoren 15 und 16 wird für den Fall, daß der Pumpstrom einen von zwei einstellbaren Werten (Up max, Up min) über- bzw. unterschreitet, über die Setzeingänge 141 bzw. 142 des Flipflops 14 dessen Ausgangssignal 19 invertiert. Hierdurch wird ein definierter Arbeitsbereich der Stromquellenschaltung 20 und ein sicheres Einschwingen der Schaltungsanordnung nach der Inbetriebnahme sowie im Störungsfall erreicht. Eine alternative Maßnahme zur Sicherung des Einschwingens kann durch eine einfache (in der Zeichnung nicht dargestellte) Ossillatorschaltung realisiert werden, wobei das Ausgangssignal des Komparators (13) das Flipflop (14) vorzugsweise über eine astabile Kippstufe triggert, deren Periodendauer der längsten Anstagszeit des Stromes (ip) entspricht. Bei Ausbleiben des Ausgangssignals des Komparators (13) triggert die Ossillatorschaltung das Flipflop (14), während im eingeschwungenen Zustand der Schaltungsanordnung das Ausgangssignal des Komparators (13) auf das Flipflop (14) gelangt.By two further comparators 15 and 16 is in the event that the Pump current exceeds or falls below one of two adjustable values (Up max, Up min), The output signal 19 of the flip-flop 14 is inverted via the set inputs 141 and 142, respectively. As a result, a defined working range of the power source circuit 20 and a Safe settling of the circuit arrangement after commissioning and in the event of a malfunction achieved. An alternative measure to ensure the transient response can be through a simple (not shown in the drawing) oscillator circuit can be implemented, the output signal of the comparator (13) preferably via the flip-flop (14) an astable flip-flop triggers whose period duration corresponds to the longest daytime of the Current (ip). If there is no output signal from the comparator (13) triggers the oscillator circuit, the flip-flop (14), while in the steady state the Circuit arrangement the output signal of the comparator (13) on the flip-flop (14) got.
Die Sample-and-Hold-Schaltung (Fig. 4) wird in diesem Ausführungsbeispiel vom Signal 134 zu den Zeitpunkten der Kernsättigung getriggert, indem ein Monoflop 41, das die Sample-Zeit bestimmt, gekippt wird. Sein Ausgangssignal schließt über eine Torstufe (43 oder 44) einen von zwei elektronischen Schaltern (45, 46) und läßt den zugehörigen Speicherkondensator (47 bzw. 48) auf den Wert der Spannung 39 aufladen. Am Ende der Sample-Zeit wird der digitale Speicher 42 (J-E-Flipflop) in den komplementären Zustand gekippt, so daß bei Eintreffen des nächsten Triggerimpulses 134 das Sample-Signal über die entsprechende Vorstufe den anderen Schalter schließt. Die in den Kondensatoren (47, 48) gespeicherten Signale sind daher den Pumpstromamplituden in benachbarten Sättigungszeitpunkten proportional. Ihre Summe um, in der Additionsstufe 49 gebildet, ist nach obigen Ausführungen dem zu messenden Strom (i1) proportional.The sample-and-hold circuit (Fig. 4) is used in this embodiment triggered by signal 134 at the times of core saturation by a monoflop 41, which determines the sample time, is tilted. Its output signal closes over a gate step (43 or 44) one of two electronic switches (45, 46) and leaves the associated storage capacitor (47 or 48) to the value of the voltage 39 charging. At the end of the sample time, the digital memory 42 (J-E flip-flop) tilted into the complementary state, so that when the next trigger pulse arrives 134 the sample signal closes the other switch via the corresponding preamplifier. The signals stored in the capacitors (47, 48) are therefore the pump current amplitudes proportional in adjacent saturation times. Your sum around, in the addition level 49 is formed, is proportional to the current to be measured (i1) according to the above.
Die sich aus den beschriebenen Beispielen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergebenden Vorteile sind: Bei hoher "Pumpfrequenz" eine hohe Grenzfrequenz des zu messenden Stromes sowie geringes Kernvolumen, zulässige Primärdurchflutungen sowohl oberhalb als auch unterhalb der Sättigungsdurchflutung des magnetischen Kreises, konstante Kurvenform des zeitlichen Verlaufs der durch den Kern induzierten Spannung unabhängig von der -Größe der Primärdurchflutung infolge symmetrischer Ummagnetisierung des Kerns und damit einfaches Detektieren der Kernsättigung und Unabhängigkeit von der Forderung eines ausgeprägten Wendepunktes in der Magnetisierungskurve bei der Induktion Null. PATENTANSPRÜCHE:The results from the described examples of the circuit arrangement according to the invention The resulting advantages are: With a high "pump frequency", a high cut-off frequency of the to measuring current as well as low core volume, permissible primary flow rates both above and below the saturation flow of the magnetic circuit, constant curve shape of the time course of the voltage induced by the core regardless of the size of the primary flow due to symmetrical reversal of magnetization of the core and thus easy detection of the core saturation and independence of the requirement of a pronounced turning point in the magnetization curve in the Induction zero. PATENT CLAIMS:
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