DE2643460C3

DE2643460C3 - Circuit arrangement for measuring currents or voltages

Info

Publication number: DE2643460C3
Application number: DE19762643460
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. Mettler; Harald Dipl.-Ing. Scheuplein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-09-27
Filing date: 1976-09-27
Publication date: 1979-07-12
Also published as: JPS5342863A; DE2643460B2; DE2643460A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Messen von Strömen oder Spannungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a circuit arrangement for measuring currents or voltages according to the Preamble of claim 1.

In der Zeitschrift ATM, Bl. V30-12 (Mai 1974), ist eine Meßanordnung mit einem den Meßstrom oder die Meßspannung liefernden Meßobjekt und einem an dieses angeschlossenen Meßgerät, das von einem Schutzschirm umgeben ist, beschrieben. Der Schutzschirm dient dazu, die Empfindlichkeit der Meßanordnung durch Verringern von Störspannungen oder Strömen zu steigern, die von einer äußeren Störspannungsquelle induziert werden. Bei Meßobjekten, die eine Wechselspannung, vor allem eine hochfrequente Wechselspannung, abgeben, treten weitere Probleme auf, wie im folgenden anhand der F i g. 1 näher erläutert wird.In the magazine ATM, Bl. V30-12 (May 1974), a measuring arrangement with a measuring current or the Measurement object delivering measurement voltage and a measuring device connected to this, which is controlled by a Protective screen is surrounded, described. The protective screen serves to reduce the sensitivity of the measuring arrangement by reducing interference voltages or increasing currents from an external interference voltage source be induced. In the case of objects to be measured that have an alternating voltage, especially a high-frequency one AC voltage, give rise to further problems, as follows with reference to FIGS. 1 explained in more detail will.

In der Anordnung nach F i g. I ist das Meßobjekt eine Brückenschaltung, bestehend aus vier Widerständen Ri, R 2, R3 und R4, die aus einer Wechselspannmngsquelle Ubgespeist ist. An der Brückendiagonale 1,2 tritt eine Meßspannung auf, die eine Gegentaktspannung ist. Diese kann einer Gleichtaktspannung überlagert sein, die an den beiden Schaltungspunkten 1, 2 mit gleicher Phase und Amplitude erscheint. Über eine doppelt geschirmte Leitung HL, LL, GL wird die Meßspannung einem Spannungsmeßgerät VM zugeführt, das im wesentlichen aus einem Verstärker Vl und einem Anzeigegerät AZbesteht. Die Bauteile des Spannungsmeßgerätes sind von einem Schutzschirm GS umgeben. Die am Schaltungspunkt 1 der Brückenschaltung auftretende Spannung wird auf die Signalleitung HL gegeben und gelangt über diese auf den einen Eingang des Verstärkers Vi. Der Schaltungspunkt 2 der Brückenschaltung ist über die Signalleitung LL, die eine Abschirmung für den Signalleiter HL bildet, mit dem zweiten Eingang des Verstärkers Vi verbunden, der an internes Massepotential angeschlossen ist und daher auf Nullpotential liegt Eine Schutzschirmleitung GL ist einerseits mit dem Schutzschirm GS des Spannungsmeßgerätes und andererseits mit dem Schaltungspunkt 2 der Brückenschaltung verbunden. Die beiden Leitungen LL und GL bilden einen Kondensator Clg; zwischen der Leitung GL und Erdpotential E Hegt eine Streukapazität Cce- Der Abschirmleiter GL ist deshalb an den Schaltungspunkt 2 angeschlossen, weil, wenn sein meßobjektseitige.5 Ende frei wäre, über die Kondensatoren Clg und Cce ein durch die auf den Leitungen HL und LL liegende Gleichtaktspannung verursachter Fehlerstrorn flosse. Legte man aber das meßobjektseitige Ende der Leitung GL auf Erdpotential, flosse ein noch größerer Fehlerstrom über den Kondensator Clg. Durch den Anschluß der Leitung GL an den Schaltungspunkt 2 sind beide Leitungen GL und LL auf dasselbe Potential! gelegt Dadurch sind zwar die beschriebenen Fehlerströme vermieden, jedoch ist dem im allgemeinen hochohrnigen Brückenwiderstand R 4 die Streukapazität Cge parallel geschaltet, so daß bei höheren Frequenzen der Meßspannung der Spannungsteiler mit den Widerständen R2, R4 kapazitiv belastet und das Potential am Schaltungspunkt 2 verfälscht ist Diese Schwierigkeit könnte dadurch urr.gangen werden, daß zunächst die Spannung zwischen dem Schaltungspunkt 1 und Erde und dann die Spannung zwischen dem Schaltungspunkt 2 uind Erde gemessen und die Briickendiagonalspannung als Differenz rechnerisch ermittelt wird.In the arrangement according to FIG. I the device under test is a bridge circuit, consisting of four resistors Ri, R 2, R3 and R 4, which is fed from an alternating voltage source Ub. A measuring voltage occurs at the bridge diagonal 1, 2, which is a push-pull voltage. This can be superimposed on a common-mode voltage that appears at the two circuit points 1, 2 with the same phase and amplitude. The measuring voltage is fed via a double-shielded line HL, LL, GL to a voltmeter VM , which essentially consists of an amplifier V1 and a display device AZ . The components of the voltmeter are surrounded by a protective screen GS . The voltage occurring at the node 1 of the bridge circuit is applied to the signal line HL and passes through this to the one input of the amplifier Vi. The node 2 of the bridge circuit is connected via the signal line LL, which forms a shield for the signal conductor HL to the second input of the amplifier Vi, which is connected to internal ground potential and is therefore at zero potential A shield line GL is the one hand, of the protective screen GS Voltmeter and on the other hand connected to node 2 of the bridge circuit. The two lines LL and GL form a capacitor Clg; Between the line GL and the earth potential E there is a stray capacitance Cce- The shielding conductor GL is therefore connected to the circuit point 2 because, if its measuring object-side.5 end were free, a capacitance through the capacitors Clg and Cce through the one on the lines HL and LL Common mode voltage caused fault current fin. If, however, the end of the line GL on the measurement object side is connected to ground potential, an even larger fault current flows through the capacitor Clg. By connecting the line GL to the circuit point 2 , both lines GL and LL are at the same potential! This avoids the fault currents described, but the stray capacitance Cge is connected in parallel to the generally high-eared bridge resistor R 4, so that at higher frequencies of the measurement voltage the voltage divider with the resistors R2, R4 is capacitively loaded and the potential at circuit point 2 is falsified Difficulty could be avoided by first measuring the voltage between circuit point 1 and earth and then the voltage between circuit point 2 and earth and calculating the diagonal voltage of the bridge as the difference.

Aus der Zeitschrift »Electronics«, 1949, April, Seite 98 bis 100, ist ein Verstärker für eine Meßanordnung der eingangs beschriebenen Art bekannt, dessen Eingänge zwischen der Signalleilung und dem äußeren Schirm liegen. Der innere Schirm ist vom Ausgang des Verstärkers gespeist. Damit soll die Kapazität eines Koaxialkabels, also die Kapazität zwischen Signalleiter und äußerem Schirm, verkleinert wtrden.From Electronics magazine, April 1949, p. 98 to 100, an amplifier for a measuring arrangement of the type described above is known, the inputs of which between the signal line and the outer screen. The inner screen is from the exit of the Amplifier fed. This should be the capacity of a coaxial cable, i.e. the capacity between signal conductors and outer screen.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, in der nicht nur die anhand der Fig. 1 beschriebenen Fehlerströme nicht auftreten, sondern auch die nachteilige Wirkung der Streukapazität des Schutzschirmes und der mit diesem verbundenen Schaltungsteile, insbesondere der Schutzschirmleitung, vermieden ist, und mit der somit eine Differenzspannung gemessen werden kann, wobei der Einfluß einer etwaigen Gleichtaktspannung unterdrückt wird und die Differenzspannung potentialfrei sein kann.The present invention is based on the object of providing a circuit arrangement of To create the type described above, in which not only the fault currents described with reference to FIG do not occur, but also the adverse effect of the stray capacitance of the protective screen and the with This connected circuit parts, in particular the protective shield line, is avoided, and thus with the a differential voltage can be measured, the influence of any common-mode voltage being suppressed and the differential voltage can be potential-free.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Schaltungsmaßnahmen gelöst. Die innere Abschirmleitung liegt zweckmäßig auf dem internen Massepotential des Meßgerätes und somit auf dem Bezugspotential für das Meßsignal. Es ist im allgemeinen vom Erdpotential verschieden und kann sich gegen dieses verändern, z. B. im Falle eines dem MeElsignal überlagerten Gleichtaktsignals, Der Eingang des. Meßgerätes ist daher gegen Masse und gegen den Schutzschirm elektrisch isoliert Dies kann z. B. durch einen Eingangstrennübertrager erreicht werden oder auch dadurch, daß der Eingangsverstärker aus einer potentialfreien Spannungsquelle versorgt ist und der innere Schirm mit einem Pol der Speisespannungsquelle verbunden ist.According to the invention, this object is given in the characterizing part of claim 1 Circuit measures solved. The inner shielding line is expediently at the internal ground potential of the measuring device and thus on the reference potential for the measuring signal. It is generally from earth potential different and can change against this, e.g. B. in the case of a common mode signal superimposed on the measurement signal, The input of the measuring device is therefore electrically isolated from ground and from the protective screen This can e.g. B. can be achieved by an input isolating transformer or by the fact that the input amplifier is supplied from a potential-free voltage source and the inner screen with one pole of the Supply voltage source is connected.

Anhand der Fig. 2, in der das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt ist,With reference to Fig. 2, in which the circuit diagram of an embodiment of the invention is shown,

werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen näher beschrieben und erläutertthe invention and other advantages and additions are described in more detail below and explained

Mit Al, R2, A3 und RA sind, wie in Fig. 1, die Widerstände einer Meßbrücke bezeichnet, die aus der Wechselspannungsquelle Ub gespeist ist. Die an der Brückendiagonale 1,2 auftretende Spannung wird vom Verstärker Vi verstärkt und im Anzeigegerät AZ analog oder digital angezeigt Der eine Schaltungspunkt 1 der Brückendiagonale ist wieder über die Leitung HL mit dem einen Eingang des Verstärkers Vl verbunden, während der andere Schaltungspunkt 2 über die erste Abschirmung LL an den zweiten, auf Nullpotential liegenden Eingang des Verstärkers Vl angeschlossen ist An diesem Schaltungspunkt 2 liegt ferner der nichtinvertierende Eingang 3 eines Verstärkers V2, dessen Ausgang mit dem invertierenden Eingang 4 verbunden ist, so daß er bei hoher Eingangsimpedanz einen niedrigen Ausgangswiderstand hat. An seinen Ausgang ist über die Schutzschimleitung GL der Schutzschirm GS des Meßgerätes angeschlossen. Die Versorgungsspannung des Verstärkers V2 ist zweckmäßig symmetrisch zum Erdpotential, damit beide Polaritäten des Nullpotentials verarbeitet werden können. Im Gegensatz zur Anordnung nach F i g. 1 liegt die Streukapazität Cge zwischen der Schutzschirmleitung GL und Erde nicht unmittelbar parallel zum Widerstand R 4, sondern lediglich die Große Eingangsimpedanz des Verstärkers V2, so daß die Brückenschaltung nicht belastet ist, und zwar auch dann, wenn der Widerstand A4 keinen hohen Widerstandswert hat Da der Verstärkungsgrad des Verstärkers V2 eins ist, wird der Schutzschirm GS und die Schutzschirmleitung GL auf demselben Potential wie die Leitung LL gehalten. Soll auch bei hohen Frequenzen der an der Brückendiagonalen 1, 2 auftretenden Gleichtaktspannung kein Potentialunterschied auf den Leitungen LL und GL auftreten, muß der Verstärker V2 einen Leistungsausgang haben, damit die Streukapazität Cge mit kleiner Zeitkonstante umgeladen wird und keine Begrenzung in der Amplitude oder eine Phasendrehung auftreten kann. ϊ Der Verstärker V2 muß einen Amplitudenbereich verarbeiten können, der mindestens gleich der an der Brückendiagonale 1, 2 auftretenden Gleichtaktspan-^J nung bzw. mindestens gleich der zulässigen Gleichtakt-Eingangsspannung des Verstärkers Vl istAs in FIG. 1, Al, R2, A3 and RA denote the resistances of a measuring bridge which is fed from the alternating voltage source Ub. Occurring at the bridge diagonal 1.2 voltage is amplified by amplifier Vi and analog or in the display unit AZ digitally displayed One node 1 of the bridge diagonal is again connected via line HL to the one input of the amplifier Vl, while the other node 2 via the The first shield LL is connected to the second input of the amplifier Vl, which is at zero potential. At this node 2 there is also the non-inverting input 3 of an amplifier V2, the output of which is connected to the inverting input 4, so that it has a low output resistance when the input impedance is high . The protective shield GS of the measuring device is connected to its output via the protective shield line GL. The supply voltage of the amplifier V2 is expediently symmetrical to the ground potential, so that both polarities of the zero potential can be processed. In contrast to the arrangement according to FIG. 1, the stray capacitance Cge between the protective shield line GL and earth is not directly parallel to the resistor R 4, but only the large input impedance of the amplifier V2, so that the bridge circuit is not loaded, even if the resistor A4 does not have a high resistance value Da the gain of the amplifier V2 is one, the protective screen GS and the protective screen line GL are kept at the same potential as the line LL . If there is no potential difference on the lines LL and GL even at high frequencies of the common-mode voltage occurring on the bridge diagonals 1, 2, the amplifier V2 must have a power output so that the stray capacitance Cge is recharged with a small time constant and no limitation in amplitude or phase rotation can occur. ϊ The amplifier V2 must be able to process an amplitude range at least equal to the common mode occurring at the bridge diagonal 1, 2 or ^J voltage at least equal to the allowable common mode input voltage of the amplifier is Vl

ίο In der Anordnung nach Fi g. 2 sind im Vergleich zur Anordnung nach Fig. 1 die auf den Verstärker Vl gelangenden, von äußeren Störspannungsquellen verursachten Störspannungen verringert, da die in den Schutzschirm induzierten Störspannungen nicht überίο In the arrangement according to Fi g. 2 are compared to the Arrangement according to Fig. 1, the reaching of the amplifier Vl, caused by external interference voltage sources Interference voltages are reduced because the interference voltages induced in the protective screen do not exceed

r> den Schaltungspunkt 2 der Brückenschaltung auf den Eingang des Verstärkers Vl gelangen können, sondern vom niederohmigen Ausgang des Verstärkers V2 kurzgeschlossen sind.r> the switching point 2 of the bridge circuit to the Input of the amplifier Vl can get, but from the low-resistance output of the amplifier V2 are short-circuited.

Der Verstärker V2 kann Bestandteil eines Voltmeters, z. B. eines Digital-Voltmeters ^;:, Schutzschirmtechnik, sein. Er ist dann fest in diesem Voir neter eingebaut und von außen nicht zugänglich. Es ist aber auch möglich, ihn als eigenes Gerät aufzubauen und in Zusammenhang mit jedem beliebigen Voltmeter oderThe amplifier V2 can be part of a voltmeter, e.g. B. a digital voltmeter ^; :, Protective shield technology. It is then permanently installed in this Voir neter and is not accessible from the outside. But it is also possible to build it up as a separate device and in connection with any voltmeter or

.'"> andere-λ Geräten zu verwenden, die für Schutzschirmtechnik ausgerüstet sind. Der Schutzschirm dieser Geräte darf nicht mit anderen Spannungsquellen oder mit Erde verbunden sein, und es muß ein Anschluß zur Verfügung stehen, mit dem es an den Ausgang des. '"> to use other-λ devices for protective shielding technology are equipped. The protective screen of these devices must not be connected to other voltage sources or must be connected to earth and a connection must be available to connect it to the output of the

in Verstärkers angeschlossen werden kann.can be connected in amplifier.

Im Ausführungsbeispiel ist das Meßobjekt eine Widerstandsbrücke. Die Erfindung ist auch dann mit Vorteil einsetzbar, wenn das Meßobjekt ein Potentiometer oder ein anderer Strom- oder SpannungsgeberIn the exemplary embodiment, the test object is a resistance bridge. The invention is also with Can be used advantageously if the device under test is a potentiometer or another current or voltage transmitter

r> ist, dessen Ausgangsimpedanz nicht sehr klein im Vergleich zur Impedanz der Streukapazität Ccfist.r> whose output impedance is not very small im Comparison to the impedance of the stray capacitance Ccfist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. A circuit arrangement for measuring currents or voltages with the MeBstrom or the measurement voltage delivered object to be measured, to the above '<a double shielded cable is connected to a measuring device, which is surrounded by a protective screen which is connected to a shield line and to the output of Impedance converter with low output resistance is connected ι ο, characterized in that a floating differential signal can be fed to the measuring device (VM) via the signal conductor (HL) of the double-shielded line and the inner shielding line (LL) and that the input (3) of the impedance converter ( V2) is connected to the inner shielding line (LL) and its output is connected to the outer shielding line (GL) to which the protective housing (GS) is connected

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the device under test is a bridge circuit (R 1, R 2, R 3, R 4) and the impedance converter (V2) is connected to a point (2) of the bridge diagonal (1, 2) from which the measuring voltage or the measuring current is taken. η

3. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 2, characterized in that the supply voltage of the impedance converter (V2) is symmetrical to ground potential.

JOJO