DE2601252A1

DE2601252A1 - Verfahren zur messung von gleichstroemen mit galvanischer trennung

Info

Publication number: DE2601252A1
Application number: DE19762601252
Authority: DE
Inventors: Djordje Dipl Ing Puskas
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1975-12-17
Filing date: 1976-01-15
Publication date: 1977-06-30
Also published as: CH593493A5

Description

Verfahren zur Messung von Gleichströmen mit galvanischer
Trennung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Gleichströmen.
Bei manchen Anwendungen, namentlich aber bei Aufgaben auf dem Gebiet der Prozessautomatisierung, müssen Reihenmessungen- und auswertungen von Strömen vorgenommen werden. Herkömmliche Lösungen sehen eine direkte Erfassung jedes einzelnen Messtromes, die Messung der Stromstärke mittels individueller Messeinrichtungen und die ebenfalls individuelle Anzeige bzw. Auswertung des Messwertes vor. Es bedarf keines Hinweise, dass solche Lösungen im allgemeinen aufwendig und teuer sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile bekannter Lösungen zu vermeiden und ein Messverfahren für Gleichströme zu schaffen, das auch bei einer grossen Anzahl von Messkreisen in apparativer Hinsicht wenig aufwendig und daher relativ billig ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der zu messende Gleichstrom über eine auf einem ferromagnetischen Kern aufgebrachte erste Wicklung fliesst, dass eine zweite, ebenfalls auf dem Kern aufgebrachte Wicklung von einem einstellbaren Kompensationsstrom durchflossen wird, der so gerichtet ist, dass die von den beiden Gleichströmen im Kern erzeugten-und durch die Amperewindungszahlen in den Wicklungen bestimmten Magnetlüsse entgegengesetzte Richtung haben, dass der Kern einen Luftspalt aufweist, in dem ein Hallgenerator untergebracht ist und dass die durch das bei Gleichheit der beiden Magnet flüsse erfolgende Verschwinden des resultierenden Magnetflusses im Kern bedingte Nullspannung am Hallgenerator detektiert wird und über eine Steuerungseinheit die Stärke des fortlaufend gemessenen Kompensationsstromes und somit - unter Berücksichtigung der Windungszahlen in den beiden Wicklungen -auch des Messtromes zur Anzeige bzw. Auswertung bringt.
Die Erfindung sei nun anhand des in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert, Um das Prinzip verständlich zu machen, ist hier primärseitig zunächst nur ein einziger Messkreis M angenommen. Der Strom IM, dessen Stromstärke zu messen ist, fliesst über eine erste Wicklung W1, die auf einem ferromagnetischen Kern K aufgebracht ist. Der Kern K ist vorzugsweise ein Topfkern, er kann aber auch andere, z.B. U-fdrmige Gestalt haben. Ferner weist der Kern K einen Luft spalt L auf, in dem ein Hallgenerator H untergebracht ist. Hallgeneratoren bzw. - wenn es sich um die Messung von Magnetfeldern handelt -Hallsonden sind allgemein bekannte Bauelemente, die im einfachsten Fall aus einem Halbleiterplättchen rnit auf gegenüberliegenden Seiten angebrachten je zwei Kontakten bestehen, wovon zwei Kontakte für die Zuführung des Steuerstroms und die restlichen zwei Kontakte für die Abnahme der Hallspannung dienen. Im dargestellten Fall hat der Steuerstrom eine konstante Grösse, so dass die Hallspannung dem Magnetfeld im Luftspalt L proportional ist, Dieses Magnetfeld wird nun nicht allein durch den Messtrom IM bestimmt, der durch die Wicklung W1 fliesst, sondern auch durch den Kompensationsstrom IK' der von einer variablen Quelle Q geliefert wird; der Gleichstrom IK fliesst über eine zweite Wicklung W2 auf dem Kern K'und zwar bei einer Messung in dem Sinne, dass der im Kern K durch IK erzeugte Magnetfluss dem durch den Strom IM verursachten Magnetfluss entgegengesetzt gerichtet ist. Zunächst sei angenommen, dass die Wicklungen W1 und W2 gleiche Windungszahlen haben.
Die dem resultierenden Magnetfluss im Kern K proportionale Hallspannung wird einer Steuerungseinheit ST zugeführt, die eingangsseitig einen Nullspannungsdetektor aufweist. Solange die Ströme IM und 1K voneinander verschieden sind, existiert im Luftspalt L ein resultierendes Magnetfeld und somit auch eine von Null verschiedene Hallspannung. Der Nulldetektor wird nicht betätigt, so dass die Steuerungseinheit ST einerseits fortfährt, die steuerbare Quelle Q und somit den Kompensationsstrom IK zu verändern und andererseits die Anzeige bzw.
Auswertung der Grösse des Kompensationsstromes IK durch das Anzeigegerät A sperrt.
Erreicht nun die Stromstärke des variablen Kompensationsstromes IK die Stromstärke des Messtromes IM, so wird das resultierende Magnetfeld im Luftspalt L und somit die Hallspannung Null. Dieser Zustand wird durch den in der Steuerungseinheit ST vorgesehenen Nullspannungsdetektor detektiert, woraufhin die Einheit ST einerseits die weitere Veränderung der variablen Quelle Q unterbricht und andererseits die Sperrung des Anzeigegerätes A aufhebt, so dass die Stromstärke des von der Quelle Q gelieferten Kompensationsstromes IK zur Anzeige und/oder Auswertung gebracht wird.
Der gemessene Strom (s.o.) entspricht dem primären Messtrom IM.
Da die Flussrichtung des Messtromes IM nicht von vornherein bekannt ist, genügt es offenbar im allgemeinen nicht, den Kompensationsstrom, von Null beginnend, in einer Richtung zu verändern.
Das resultierende Magnetfeld im Kern könnte dadurch ständig vergrössert werden, ohne einen Nulldurchgang aufzuweisen. Praktisch ist daher etwa so vorzugehen, dass man bi einem Messvorgang bei relativ grossen, z.f3. negativen Werten von 1K beginnt, durch Null geht und den Strom bis zu relativ hohen positiven Werten steigert. So hat man die Gewähr, dass jeder primärseitige Strom, unabhängig von der Richtung, gemessen wird.
Diese sekundärseitige Messung mit galvanischer Trennung bringt, wie oben schon bemerkt, beträchtliche Vorteile mit sich und zwar besonders dann, wenn es sich um eine größere Anzahl von Messkreisen handelt. Dies ist namentlich auf dem Gebiet der Prozessautomatisierung der Fall. Es sei angenommen, dass primärseitig eine Anzahl n Messkreise vorhanden ist, in denen Gleichströme IMV fliessen und individuell gemessen werden sollen. n kann z.B. gleich 16 sein. Es soll gezeigt werden, dass auch in diesem Fall eine einzige Quelle Q zur Erzeugung des variablen Kompensationsstromes IK, eine einzige Steuerungseinheit ST und ein einziges Anzeige- bzw. Auswertegerät A für sämtliche Messungen ausreichen.
Dazu wird für jeden Messkreis Mv ein Kern Kv mit-Primärwicklung W1v und Sekundärwicklung W2v sowie dem Hallgenerator Hv vorgesehen. Sämtliche Sekundärwicklungen W 2v sind gleichsinnig in Reihe geschaltet und werden vom Kompensatkonsstrom 1K durchflossen, der wieder von der variablen Quelle Q geliefert wird.
Die Steuerstromkontakte sämtlicher Hallgeneratoren A v sind in Reihe geschaltet, so dass für alle Hallgeneratoren ein einziger Steuerstrom benötigt wird. Für jeden der Hallgeneratoren Hv ist in der Steuerungseinheit ST ein individueller Nullspannungsdetektor (Komparator) vorgesehen, der mit den Hallspannungskontakten des entsprechenden Hallspannungsgenerators Hv verbunden ist und auch die Nummer (Adresse des dem Generator H v zugeordneten Messkreises Mv)fest gespeichert hat und weiterleiten kann.
Auch hier geht die Messung praktisch so vor sich, dass bei einem Messzyklus der Kompensationsstrom 1K z.B. von relativ grossen negativen Werten über Null bis zu grossen positiven Werten variiert wird. Dabei besteht Sicherheit, dass alle primärseitigen Ströme - unabhängig von der Richtung - gemessen werden. Koinzidiert der Kompensationsstrom IK mit irgendeinem Messtrom IMV und ist er in der Wicklung W2v in bezug auf den Primärstrom IMV in der Wicklung Wlv entgegengesetzt gerichtet, so verschwindet die zugeordnete Hallspannung, und der diesem Messkreis zugeordnete Nullspannungsdetektor (Komparator) in der Steuerungseinheit ST spricht an. Er bewirkt - wie schon oben beschrieben - die Aufhebung der Sperrung für die Anzeige-bzw, Auswerteeinrichtung A, so dass die Grösse des Kompensationsstroms IK mittels der Verbindung mit der steuerbaren Quelle Q gemessen, angezeigt und eventuell ausgewertet wird.
Vom Nullspannungsdetektor wird ferner die Nummer v bzw. Adresse des entsprechenden Messkreises Mv an die Einrichtung a übermittelt, so dass der gemessene Strom IMv identifiziert ist.
Man kann bei jeder Anzeige eines Stromes IMv ein automatisches Stillsetzen der veränderlichen Quelle Q vorsehen, so dass der Strom IK auf dem konstanten.Wert IMV ßtehenbleibt, und nach Ablesen dieses Wertes den Messzyklus fortsetzen. Natürlich kann man auch, ohne den Zyklus zu unberbrechen, den jeweiligen Messwert mit Adresse in einen entsprechenden Speicher übertragen, wo er beliebig lange verfügbar ist. Bei einer unmittelbaren Auswertung der Messwerte ist weder eine Unterbrechung des Messzyklus nocheine Speicherung erforderlich.
Schliesslich sei noch auf die Möglichkeit hingewiesen, mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens sehr starke Gleichströme, deren direkte Messung Schwierigkeiten machen würde, durch Erfassung viel kleinerer Kompensationsströme bequem zu messen.
Hierzu werden die Windungszahlen der Wicklungen W1 und W2 entsprechend verschieden gemacht; während W1 z.B. aus einer einzigen Windung bestehen kann (der stromführende Leiter könnte auch einfach durch eine Oeffnung im Kern durchgeführt sein), weist die Kompensationswicklung W2 eine grosse Zahl Windungen auf, z,B. n Windungen. Da die beiden Magnetflüsse im Kern durch die Amperewindungszahlen der Wicklungen W1 bzw. W2 bestimmt sind, ist ein gegenüber dem zu messenden Strom IM n mal schwächerer Kompensationsstrom IM erforderlich, um das resultierende Magnetfeld im Luftspalt zum Verschwinden zu bringen, Der gemessene Kompensationsstrom muss dann mit n multipliziert werden, um den zu messenden Strom IM zu erhalten.
Das vorgeschlagene Verfahren erlaubt gegenüber den bekannten Methoden erhebliche Einsparungen; bei einer grösseren Anzahl Messkreise ist es dabei möglich, individuelle Messeinrichtungen für jeden Messkreis zu vermeiden und sekundärseitig eine einzige Messeinriehtung für alle Messkreise vorzusehen.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche l.JVerfahren zur Messung von Gleichströmen mit galvanischer Trennung, dadurch gekennzeichnet, dass der zu messende Gleichstrom (IM) Uber eine auf einem ferromagnetischen Kern (K) aufgebrachte erste Wicklung (W1) fliesst, dass eine zweite, ebenfalls auf dem Kern (K) aufgebrachte Wicklung (W2) von einem einstellbaren Kompensationsstrom (IK) durchflossen wird, der so gerichtet ist, dass die von den beiden Gleichströmen (IM, IK) im Kern (K) erzeugten und durch die Amperewindungszahlen in den Wicklungen (W1, W2) bestimmten MagnetflUsse entgegengesetzte Richtung haben, dass der Kern (K) einen Luftspalt (L) aufweist, in dem ein Hallgenerator (H) untergebracht ist und dass die durch das bei Gleichheit der beiden Magnetflüsse erfolgende Verschwinden des resultierenden Magnetflusses im Kern (K) bedingte Nullspannung am Hallgenerator(H) detektiert wird und über eine Steuerungseinheit (ST) die Stärke des fortlaufend gemessenen Kompensationsstromes (IK) und somit -unter Berücksichtigung des Verhältnisses der Windungszahlen in den beiden Wicklungen (W1, W2) - auch des Messtromes (IM) zur Anzeige bzw. Auswertung bringt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als. Kern (K) ein Ringkern verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Kern (K) U-förmige Gestalt hat.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungszahlen der beiden Wicklungen (W1, W2) übereinstimmen, so dass der bei Nullwerden der Hallspannung gemessene Kompensationsstrom (IK)) dem Messtrom (IM)direkt gleich ist.
5. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für Prozessautomatisierung, dadurch gekennzeichnet, dass zum Messen einer Anzahl n Mesströme mit galvanischer Trennung n Kerne (Kv) mit je einer Wicklung (Wlv) für den jeweiligen Messtrom (IMv)' einer Wicklung (W2v) für den Kompensationsstrom (IK> und je einem Hallgenerator (Hv) sowie eine einzige Steuerungseinheit (ST) und ein gemeinsames Anzeigeinstrument (A) bzw. eine gemeinsame Auswertung vorgesehen sind, dass alle zweiten Wicklungen (W2v) gleichsinnig in Reihe geschaltet sind, so dass der Kompensationsstrom (IK) diese Wicklungen sämtlich durchfliesst, und ferner dadurch gekennzeichnet, dass für einen Messzyklus der Kompensationsstrom (IK) von einem relativ hohen Wert in einem. bestimmten Richtungssinn über Null bis zu einem relativ hohen Wert im anderen Richtungssinn stetig verändert wird und bei jedem Verschwinden des resultierenden Magnetflusses im Kern (K) nicht nur die Nullspannung am entsprechenden Hallgenerator (Hv) detektiert wird und die Anzeige des Stromwertes steuert, sondern auch die Nummer (v) bzw. Adresse des entsprechenden Messkreises an das Anzeigeinstrument (A) übermittelt wird.