DE2834499B1 - Schaltungsanordnung zum potentialfreien Messen von Stroemen oder Spannungen - Google Patents

Description

• Darstellung der Erfindung Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Meßwandler, F i g. 2, 4 und 6 Schaltungsanordnungen zum Messen eines Stromes oder einer Spannung, F i g. 7 ein Schaltungssystem zum Messen von n >2 Strömen oder Spannungen und F i g. 3,5und 8 Diagramme.
• In der F i g. 1 bedeutet 1 einen Magnetkern, der eine Vormagnetisierungswicklung 2 trägt und dessen magnetischer Kreis einen Meßleiter 3 umschließt. rn der Vormagnetisierungswicklung 2 fließt ein Vormagnetisierungsstrom iv und in der Meßwicklung 3 ein Meßstrom Im. Der Magnetkern 1 weist vorzugsweise einen Luftspalt 4 auf, der mit einem sehr dünnen Magnetfilm 5 überbrückt ist. Der aus ferromagnetischem, vorzugsweise anisotropem Material bestehende Magnetfilm 5 arbeitet als Magnetfeldkomparator. Er wird durch das im Luftspalt 5 fließende Magnetfeld, welches durch den alternierenden Vormagnetisierungsstrom iv und durch den Meßstrom Am aufgebaut wird, abwechselnd in beide Sättigungsrichtungen gesteuert.
• Der Magnetkern 1 kann entfallen, wenn durch geeignete konstruktive Maßnahmen dafür gesorgt wird, daß der Vormagnetisierungsstrom iv und der Meßstrom Im am Ort des Magnetfilms 5 unmittelbar in proportionale Magnetfelder umgewandelt werden. Beispielsweise kann der Meßleiter 3 ein Flachleiter und die Vormagnetisierungswicklung 2 eine Flachwicklung sein und der Magnetfilm 5 zwischen diese beiden eingebettet werden.
• Der beschriebene Meßwandler findet in den Schaltungsanordnungen nach den Fig. 2, 4, 6 und 7 Anwendung, in denen der Einfachheit halber nur die Vormagnetisierungswicklung 2 dargestellt und die Sättigungscharakteristik des Magnetfeldkomparators symbolisch angedeutet ist.
• In der Fig. 2 bedeutet 6 einen Signalgenerator, der eine der Kurvenform des Vormagnetisierungsstromes iv entsprechende, vorzugsweise dreieckförmige Wechselspannung Uc erzeugt. Aus dieser Wechselspannung oe wird in einem Stromtreiber 7 der Vormagnetisierungsstrom iv gebildet. im dargestellten Beispiel besteht der Stromtreiber 7 aus einem Differenzverstärker 8 und einem Widerstand 9, wobei die Vormagnetisierungswicklung 2 zwischen dem Ausgang und den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 8 und der Widerstand 9 zwischen den invertierenden Eingang und Bezugspotential (Masse) geschaltet ist. Der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers 8 ist mit dem Signalgenerator 6 verbunden.
• An das mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 8 verbundene Wicklungsende der Vormagnetisierungswicklung 2 und an das Bezugspotential ist ein Differenzierer 10 angeschlossen. Dieser besteht im gezeichneten Beispiel aus einem CR-Glied 11, 12 und einem Differenzverstärker 13, wobei der Widerstand 12 des CR-Gliedes im Gegenkopplungskreis des Differenzverstärkers 13 angeordnet ist. Der Ausgang des Differenzierers 10 ist einerseits über einen Schalter 14 und einen mit diesem in Reihe geschalteten Kondensator 15 und andererseits über einen Schalter 16 und einen mit diesem in Reihe geschalteten Kondensator 17 mit dem Eingang eines Schwellenschalters 18 verbunden.
• Vorteilhaft besteht der Schwellenschalter 18 aus einem Differenzverstärker 19 und zwei Widerständen 20, 21, mit deren Hilfe ein Teil der Ausgangsspannung us des Differenzverstärkers 19 an dessen nichtinvertierenden Eingang zurückgeführt wird. Zwischen den Eingang des Schwellenschalters 18 und das Bezugspotential ist ein Widerstand 22 geschaltet. Die Schalter 14 und 16 können z. B. Transistorschalter sein. Sie werden von einer Steuerschaltung 23 gesteuert, die auch die Frequenz des Signalgenerators 6 vorgibt und z. B aus einem Taktgenerator und einer Zählkette bestehen kann.
• Die beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt: Der Stromtreiber 7 setzt die dreieckförmige Wechselspannung Ue des Signalgenerators 6 in einen die Vormagnetisierungswicklung 2 durchfließenden proportionalen Vormagnetisierungsstrom iv um Am Ausgang des Stromtreibers 7 entsteht dadurch gemäß F i g. 3b eine Spannung u" die, wie aus der F i g 3a ersichtlich ist, in drei Komponenten zerlegt werden kann: Ua = ue+iv~p-Lw+iv-Rw Die Komponente um ist die Wechselspannung des Signalgenerators 6, die am Widerstand 9 wieder erscheint und dort den Vormagnetisierungsstrom lv erzeugt.
• Die Komponente iv p Lw ist der an der induktivität Lw des Meßwandlers (Fig. 1) differenzierte Anteil der Spannung ua und stellt dementsprechend in erster Näherung eine Rechteckspannung dar, deren Flanken infolge der Wicklungskapazitäten verrundet sind und der sich jeweils im Zeitpunkt des Magnetfeld-Nulldurchgangs des Meßwandlers durch das Ummagnetisieren des Magnetfeldkomparators ein nadelförmiger Umschaltimpuls um überlagert p bedeutet den Laplace-Operator.
• Die Komponente iv. Rw schließlich wird durch den Kupferwiderstand Rw der Vormagnetisierungswicklung 2 erzeugt.
• Zur Erzeugung einer Ausgangsimpulsspannung us (F i g. 3f) am Ausgang des Schwellenschalters 18 ist der jeweilige Zeitpunkt der Maxima der Umschaltimpulse um maßgebend. Um diesen Zeitpunkt festzustellen, wird die Ausgangsspannung ua des Meßwandlers im Differenzierer 10 differenziert. Am Ausgang des Differenzierers 10 entsteht eine Spannung usa gemäß der F i g 3c, in der die differenzierten Umschaltimpulse mit uk bezeichnet sind. Störend wirken einerseits die jeweils im Zeitpunkt des Strommaximums und des Stromminimums des Vormagnetisierungsstromes iv auftretenden Nadelimpulse um und andererseits der hohe Rechteckanteil, dessen Amplitude vom Kupferwiderstand Rw abhängt und stark schwanken kann. Diese störenden Komponenten werden mit Hilfe der Schalter 14, 16 und der Kondensatoren 15, 17 entfernt.
• Die F i g. 3d zeigt die jeweilige Stellung des Schalters 14 und die F i g. 3e jene des Schalters 16, wobei die geöffnete (nichtleitende) Stellung mit »0« und die geschlossene Stellung mit »t« bezeichnet ist Es ist ersichtlich, daß der Schalter 14 jeweils im Zeitbereich des ansteigenden Vormagnetisierungsstromes iv und der Schalter 16 im Zeitbereich des abfallenden Vormagnetisierungsstromes iv geschlossen ist und daß beide Schalter 14, 16 im Zeitbereich des Wendepunktes des Vormagnetisierungsstromes iv geöffnet sind. Bei geöffneten Schaltern 14, 16 hält der Widerstand 22 das Eingangspotential des Schwellenschalters 18 auf Null Der Schwellenschalter 18 ist also jeweils im Zeitbereich des Wendepunktes des Vormagnetisierungsstromes iv gesperrt, so daß sich die Nadelimpulse un nicht auswirken können.
• Bei jeder positiven Halbwelle der Spannung ud wird der Kondensator 15 und bei jeder negativen Halbwelle der Kondensator 17 an den Eingang des Schwellenschalters 18 geschaltet, so daß diese Kondensatoren auf den Amplitudenwert des Rechteckanteils der Spannung Ud aufgeladen werden und nur die differenzierten Umschaltimpulse uk als Spannung up (F i g. 3f) zum Eingang des Schwellenschalters 18 gelangen. Der Schwellenschalter 18 besitzt eine sehr geringe Hysterese und schaltet jeweils annähernd im Nulldurchgang der Spannung up. An seinem Ausgang entsteht die Ausgangsimpulsspannung us (F i g. 3f), deren Impulsdauer Tproportional ist zum Meßstrom I,.
• In der F i g. 4 weisen gleiche Bezugszeichen wie in der Fig. 2 auf gleiche Teile hin. Der Signalgenerator 6 und die Steuerschaltung 23 sind in der F i g. 4 der Einfachheit halber nicht dargestellt. Der Differenzierer 10 ist eingangsseitig an eine Induktionswicklung 24 des Meßwandlers (Fig. 1) und ausgangsseitig über einen von der Steuerschaltung 23 (F i g. 2) gesteuerten Schalter 25 an den Eingang des Schwellenschalters 18 angeschlossen. In der Induktionswicklung 24 wird eine Spannung uiinduziert, deren in der F i g. 5a dargestellter zeitlicher Verlauf qualitativ dem Verlauf der Komponente iv.p Lw (F i g. 3a) entspricht. Am Ausgang des Differenzierers 10 entsteht eine Spannung um, die sich wiederum aus den Nadelimpulsen um und den differenzierten Umschaltimpulsen 11k zusammensetzt, im Vergleich zur Spannung Ud(F i g. 3jedochkeine Rechteckkomponente aufweist. Der Schalter 25 ist, wie aus der F i g. 5c hervorgeht, jeweils im Zeitbereich des Wendepunktes des Vormagnetisierungsstromes iv geöffnet, wodurch die Nadelimpulse un ausgeblendet werden und nur die differenzierten Umschaltimpulse uk als Spannung up (F i g. 5d)zum Schwellenschalter 18 gelangen.
• Die Schaltungsanordnung nach der F i g. 4 weist gegenüber jener nach der F i g. 2 den Vorteil auf, daß sie mit einem einzigen Schalter 25 auskommt und, wie weiter unten gezeigt wird, auf einfache Weise in einem Multiplexsystem eingesetzt werden kann. Sie benötigt jedoch eine gesonderte Induktionswicklung 24. Die F i g. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung, welche die Vorteile beider vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnungen in sich vereinigt. In der F i g. 6 liegt zwischen dem Ausgang eines mit 26 bezeichneten Differenzierers und dem Eingang des Schwellenschalters 18 wiederum der Schalter 25. Der an die Vormagnetisierungswicklung 2 angeschlossene Differenzierer 26 besteht aus zwei in Reihe geschalteten Differenziergliedern 27, 28. Funktionsmäßig unterscheiden sich die Differenzierglieder 27, 28 durch ihren unterschiedlichen frequenzabhängigen Differenzierbereich, worunter jener Frequenzbereich zu verstehen ist, in welchem das Differenzierglied ein Eingangssignal differenziert. Liegt die Frequenz des Eingangssignals oberhalb des Differenzierbereiches, so wird dieses Signal nicht mehr differenziert, sondern frequenzunabhängig übertragen. Der Differenzierbereich des Differenziergliedes 27 schließt das Frequenzspektrum des Vormagnetisierungsstromes iv ein, schließt dagegen die der Flankensteilheit der Umschaltimpulse 11m entsprechenden Frequenzen aus. Der Differenzierbereich des Differenziergliedes 28 schließt auch die der Flankensteilheit der Umschaltimpulse um entsprechenden Frequenzen ein. Das Differenzierglied 27 differenziert somit nur die Komponenten ue und iv.Rw der Spannung ua (F i g.3a und 3b), während es die Umschaltimpulse um unverändert überträgt. An seinem Ausgang entsteht eine Spannung, deren Verlauf jener der Spannung ui (Fig.Sa) entspricht. Die Spannung am Ausgang des Differenziergliedes 28 entspricht jener der Spannung u, (F i g. 5b).
• Im dargestellten Beispiel besteht das Differenzierglied 27 aus einem passiven CR-Glied 29, 30 und das Differenzierglied 28 aus einem Kondensator 31, zwei mit diesem in Reihe geschalteten Widerständen 32, 33 und einem Differenzverstärker 34, wobei der Widerstand 33 im Gegenkopplungskreis des Differenzverstärkers 34 liegt.
• Das Schaltungssystem nach der F i g. 7 zur Messung von n22 Strömen oder Spannungen besteht aus n Schaltungsanordnungen der in der F i g. 4 oder 6 gezeigten Art, wobei der Signalgenerator 6, die Steuerschaltung 23 und ein einziger Schwellenschalter 18 den n Schaltungsanordnungen gemeinsam ist. Im dargestellten Beispiel ist n=2. Die Bezugszeichen der beiden Schaltungsanordnungen, die je einen gesonderten Meßkanal bilden, entsprechen jenen der F i g. 6, sind jedoch zur Unterscheidung mit einem Index versehen.
• Die Differenzierer 26' und 26" sind über einen Multiplexschalter in zyklischer Reihenfolge mit dem Eingang des Schwellenschalters 18 verbindbar. Dieser Multiplexschalter wird durch die Schalter 25' und 25" gebildet, die ohnehin zur kurzzeitigen Sperrung des Schwellenschalters 18 im Zeitbereich des Wendepunktes des Vormagnetisierungsstromes iv benötigt werden.
• Wie aus den F i g. 8c und 8d ersichtlich ist, wird während einer ersten Periode des Vormagnetisierungsstromes iv die am Ausgang des Differenzierers 26' erscheinende Spannung uf' über den Schalter 25' und während der nachfolgenden Periode die am Ausgang des Differenzierers 26" auftretende Spannung uf" über den Schalter 25" an den Eingang des Schwellenschalters 18 gelegt. Im Zeitbereich des Wendepunktes des Vormagnetisierungsstromes iv sind jeweils beide Schalter 25' und 25" geöffnet, so daß die störenden Nadelimpulse un (Fi g. 8a und 8b) ausgeblendet werden. Die Impulsdauer T' (Fig8e) des ersten Impulses der Spannung u5 am Ausgang des Schwellenschalters 18 ist proportional zum Meßstrom des ersten Meßkanals und die Impulsdauer T" des zweiten Impulses ist proportional zum Meßstrom des zweiten Meßkanals.
• Selbstverständlich ist es auch möglich, die Schalter 25' und 25" so zu steuern, daß während mehreren aufeinanderfolgenden Perioden des Vormagnetisierungsstromes iv der gleiche Meßkanal abgefragt wird.
• Dies gestattet, das Meßergebnis über mehrere Meßperioden zu mitteln.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Schaltungsanordnung zum potentialfreien Messen eines Stromes oder einer Spannung, mit einem den Meßstrom führenden Meßleiter, einer einen alternierenden Vormagnetisierungsstrom führenden Vormagnetisierungswicklung, einem Magnetfeldkomparator, der dem vom Meßstrom sowie dem vom Vormagnetisierungsstrom erzeugten Magnetfeld ausgesetzt ist und durch das von den beiden Strömen erzeugte Magnetfeld abwechselnd in beide Sättigungsrichtungen gesteuert wird, mit einem an die Vormagnetisierungswicklung oder an eine Induktionswicklung angeschlossenen Differenzierer und mit einem dem Differenzierer nachgeschalteten Schwellenschalter zur Erzeugung einer Ausgangsimpulsspannung, deren Impulsdauer ein Maß für die Größe des Meßstromes darstellt, g e k e n n z ei c h -n e t du r c h mindestens einen dem Schwellenschalter (18) vorgeschalteten Schalter (14; 16; 25; 25'; 25") zur kurzzeitigen Sperrung des Schwellenschalters (18) im Zeitbereich des Wendepunktes des Vormagnetisierungsstromes (iv).
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Differenzierers (10) einerseits über einen ersten Schalter (14) und einen ersten Kondensator (15) und andererseits über einen zweiten Schalter (16) und einen zweiten Kondensator (17) mit dem Eingang des Schwellenschalters (18) verbunden ist, daß der erste Schalter (14) jeweils im Zeitbereich des ansteigenden Vormagnetisierungsstromes (iv) und der zweite Schalter (16) jeweils im Zeitbereich des abfallenden Vormagnetisierungsstromes (iv) geschlossen ist und daß beide Schalter (14; 16) im Zeitbereich des Wendepunktes des Vormagnetisierungsstromes (iv) geöffnet sind.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (25; 25'; 25") zwischen den Ausgang des Differenzierers (10; 26) und den Eingang des Schwellenschalters (18) geschaltet ist und jeweils im Zeitbereich des Wendepunktes des Vormagnetisierungsstromes (iv) geöffnet ist.
4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzierer (26) aus zwei in Reihe geschalteten, Differenziergliedern (27; 28) besteht, daß der frequenzabhängige Differenzierbereich des ersten Differenziergliedes (27) das Frequenzspektrum des Vormagnetisierungsstromes (iv) einschließt, die der Flankensteilheit der durch die Umschaltung des Magnetfeldkomparators (5) induzierten Umschaltimpulse (um) entsprechenden Frequenzen dagegen ausschließt, und daß der frequenzabhängige Differenzierbereich des zweiten Differenziergliedes (28) auch die der Flankensteilheit der Umschaltimpulse (um) entsprechenden Frequenzen einschließt.
5. 5. Schaltungssystem zum potentialfreien Messen von n 22 Strömen oder Spannungen, dadurch gekennzeichnet, daß n Schaltungsanordnungen nach Anspruch 1 vorhanden sind, wobei ein einziger Schwellenschalter (18) den n Schaltungsanordnungen gemeinsam ist, und daß die Differenzierer (26'; 26") der n Schaltungsanordnungen über einen Multiplexschalter (25'; 25") in zyklischer Reihenfolge mit dem Eingang des Schwellenschalters (18) verbindbar sind.
6. 6. Schaltungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (25'; 25") zur kurzzeitigen Sperrung des Schwellenschalters (18) der n Schaltungsanordnungen durch den Multiplexschalter gebildet sind.

   Stand der Technik Es ist eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bekannt (CH-PS 5 83 909), bei der ein Magnetkern als Magnetfeldkomparator dient, welcher durch das von einem Vormagnetisierungsstrom mit dreieckförmigem Verlauf erzeugte Magnetfeld und das diesem überlagerte, durch den Meßstrom erzeugte Magnetfeld abwechselnd in beide Sättigungsrichtungen gesteuert wird. Dadurch werden in der Vormagnetisierungswicklung bzw. in einer gesonderten Induktionswicklung Spannungsimpulse induziert die den Nulldurchgang des Magnetfeldes markieren und mit Hilfe eines Differenzierers und eines Schwellenschalters in ein Rechtecksignal umgefomt werden, das als Maß für die Größe und Richtung des Meßstromes dienen kann. Um zu vermeiden, daß im Zeitpunkt des Strommaximums und des Stromminimums des Vormagnetisierungsstromes eine rasche Flußänderung auftritt, was sich in einem Spannungssprung an der als Ausgangswicklung dienenden Vormagnetisierungs- oder Induktionswicklung und in einem nadelförmigen Störimpuls am Ausgang des Differenzierers auswirken würde, werden bei der bekannten Schaltungsanordnung die Ecken des dreieckförmigen Vormagnetisierungsstromes mittels eines Diodennetzwerkes abgerundet.

   Ferner wurde ein Meßwandler zum potentialfreien Messen von Strömen oder Spannungen vorgeschlagen, bei dem als Magnetfeldkomparator ein sehr dünner Magnetfilm dient, welcher dem vom Meßstrom sowie dem vom Vormagnetisierungsstrom erzeugten Magnetfeld ausgesetzt ist.

   Aufgabe Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum potentialfreien Messen von Strömen oder Spannungen zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln dafür gesorgt ist, daß sich der im Zeitpunkt des Wendepunktes des Vormagnetisierungsstromes an der als ausgangswicklung dienenden Vormagnetisierungs- oder lnduktionswicklung auftretende Spannungssprung nicht störend auswirken kann.

   Vorteile Mit der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird mit einfachen Mitteln erreicht, daß das im Zeitpunkt des Wendepunktes des Vormagnetisierungsstromes auftretende Störsignal ausgeblendet wird.