DE2834499C2 - Schaltungsanordnung zum potentialfreien Messen von Strömen oder Spannungen - Google Patents
Schaltungsanordnung zum potentialfreien Messen von Strömen oder SpannungenInfo
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Description
in 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 Vormagneisierungsstrom
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 Vormagaetisierungsstromes eine rasche
Flußänderung auftritt, was sich in einem Spannungssprung an der als Ausgangswicklung dienenden
Vormagnetisierungs- oder Induktionswicklung und in einem nadeiförmigen Störimpuls am Ausgang des
Differenzierers auswirken würde, werden bei der bekannten Schaltungsanordnung die Ecken des dreieckförmigen
Vonnagnetisierungsstromes 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 voen 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 Vormagnetisierungsatromes an der als ausgangswicklung
dienenden Vormagnetisierungs- oder Induktionswicklung 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.
Darstellung der Erfindung
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispieie der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigt
F i g. 1 einen Meßwandler,
Fig. 2, 4 und 6 Schaltungsanordnungen zum Messen
eines Stromes oder einer Spannung,
Fig. 7 ein Schaltungssystem zum Messen von η
>2 Strömen oder Spannungen und
F i g. 3,5 und 8 Diagramme.
In der F i g. 1 bedeutet 1 einen Magnetkern, der eine
Vormagnetisierungswicklung 2 trägt und dessen magnetischer Kreis einen MeEIeiter 3 umschließt In der
Vormagnetisierungswicklung 2 fließt ein Vormagnetisierungsstrom
/, und in der Meßwicklung 3 ein Meßstrom In. 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
/„ und durch den Meßstrom /m aufgebaut wird,
abwechselnd in beide Sättigungsrichtungen gesteuert
Der Magnetkern 1 kann entfallen, wenn durch geeignete konstruktive Maßnahmen dafür gesorgt wird,
daß der Vormagnetisierungsstrom i, 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 Flachwickung 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 /V entsprechende, vorzugsweise dreieckförmige Wechselspannung
Uc erzeugt. Aus dieser Wechselspannung ue
wird in einem Stromtreiber 7 der Vormagnetisierungsstrom i, 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 Vomiagnetisierungswicklung
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 C/?-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 (.5 einer Steuerschaltung 23 gesteuert, die auch die
Frequenz des Signalgenj/ators 6 vorgibt und z. B. aus
einem Taktgenerator und einer Zählkette bestehen
Die beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt: Der Stromtreiber 7 setzt die dreieckförmige
Wechselspannung uedes Signalgenerators 6 in einen die
Vormagnetisierungswicklung 2 durchfließenden proportionalen Vormagnetisierungsstrom ir um. Am Ausgang
des Stromtreibers 7 entsteht dadurch gemäß Fig.3b eine Spannung u* die, wie aus der Fig.3a
ersichtlich ist in drei Komponenten zerlegt werden kann:
u3 = uc+ iy-p- Lw+ /„· Rx,
Die Komponente ue ist die Wechselspannung des
Signalgenerators 6, die am Widerstand 9 wieder erscheint und dort den Vormagnetisierungsstrom ir
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 dir, deren Flanken infolge der Wicklungskapazitäten verrundet sind und
der sich jeweils im Zeitpunkt des Magnetfeld-Nulldurchgangs des Meßwandlers durch das Ummagnetisieren
des Magnetfeldkomparators ein nadelföimiger UmschaUimpuls Un, überlagert ρ bedeutet den Laplace-Operator.
Die Komponente i,-Rw schließlich wird durch den
Kupferwiderstand Rw der Vormagnetisierungswicklung
2 erzeugt
Zur Erzeugung einer Ausgangsimpulsspannung u,
(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 dej Differenzierers 10 entsteht eine Spannung u, gemäß der F i g. 3c, in
der die differenzierten Umschaltimpulse mit u* bezeichnet sind. Störend wirken einerseits die jeweils im
Zeitpunkt des Strommaximums und des Stromminimums des Vormagnetisierungsstromes i, auftretenden
Nadslimpulse u„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 Fig.3e jene des Schalters 16, wobei die
geöffnete (nichtleitende) Stellung mit »0« und die geschlossene Stellung mit »1« 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 /V geschlossen ist und daß beide
Schalter 14, 16 im Zeitbereich des Wendepunktes des Vormagnetisierungsstromes /„ 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 "/endepunktes des Vormagnetisierungsstromes
i, gesperrt, so daß sich die Nadelimpulse u„ 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 u* als Spannung up (Fig. 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 u,(F i g. 3f), deren Impulsdauer Tproportiona! ist zum Meßstrom /m.
In der F i g. 4 weisen gleiche Bezu^szeichen wie in der
F i g. 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 Differenzicrer 10 ist eingangsseitig an eine Induktionswicklung 24 des
Meßwandlers (Fig. 1) und ausgangsseitig über einen von der Steuerschaltung 23 (Fig. 2) gesteuerten
Schalter 25 an den Eingang des Schwellenschalters 18 angeschlossen. In der Induktionswicklung 24 wird eine
Spannung u, induziert, deren in der F i g. 5a dargestellter
zeitlicher Verlauf qualitativ dem Verlauf der Komponente ifp-Lw (Fig.3a) entspricht. Am Ausgang des
Differenzierers 10 entsteht eine Spannung ur, die sich wiederum aus den Nadelimpulsen u„ und den differenzierten
UmschaltimpulS'En Uk zusammensetzt, im Vergleich
zur Spannung u</(F i g. 3c) jedoch keine Rechteckkomponente
aufweist. Der Schalter 25 ist, wie aus der F i g. 5c hervorgeht, jeweils im Zeitbereich des Wendepunktes
des Vormagnetisierungsstromes i, geöffnet, wodurch die Nadelimpulse u„ 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 Fig. 6 liegt
zwischen dem Ausgang eines mit 26 bezeichneten Differenzierers und dem Eingang des Schwellenschalters
18 wiederum der Schalter 25. Der an die Vormagneiisierungswickiung 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 /V ein, schließt dagegen die
der Flankensteilheit der Umschaltimpulse um entsprechenden
Frequenzen aus. Der Differenzierbereich des Differenziergliedes 28 schließt auch die der Flankensteilheit
der Umschaltimpulse um entsprechenden Frequenzen
ein. Das Differen/.ierglied 27 differenziert somit nur die Komponenten ut und ι, · R„ der Spannung
u3 (F i g. 3a und 3b), während es die I Jmschaltimpulse um
·, unverändert überträgt. An seinen Ausgang entsteht
eine Spannung, deren Verlauf jener der Spannung u, (Fig. 5a) entspricht. Die Spannung am Ausgang des
Differenziergliedes 23 entspricht jener der Spannung ui
(F ig. 5b).
in Im dargestellten Eteispi ! besteht das Differenzierglied
27 aus einem passiv jn 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 Wider-
, ι stand 33 im Gegenkoppliingskreis des Differenzverstärkers
34 liegt.
Das SchaltunEssystem nach der F i g. 7 zur Messung
von /i>2 Strömen oder Spannungen besteht aus η
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 η Schaltungsanordnungen gemeinsam ist. Im
dargestellten Beispie! ist n=2. Die Bezugszeichen der
beiden Schaltungsanordnungen, die je einen gesonder-
:=. lon Meßkanal bilden, entsprechen jenen der F i g. 6, sind
jedoch zur Unterscheidung mit einem Index versehen Die Üifferenzierer 26' und 26" sind über einen
Multiplexschalter in zyklischer Reihenfolge mit dem Eingang des Schwellenschalters 18 verbindbar. Dieser
jo Multiplexschalter wird durch die Schalter 25' und 25"
gebildet, die ohnehin zur kurzzeitigen Sperrung des Schwellenschalters 18 im Zeitbereich des Wendepunktes
des Vormagnetisierungsstromes ;, benötigt werden. Wie aus den F i g. 8c und 8d ersichtlich ist, wird während
ji einer ersten Periode des Vormagnetisierungsstromes /V
die am Ausgang des Differenzierers 26' erscheinende Spannung u;' über den Schalter 25' und während der
nachfolgenden Periode die am Ausgang des Differenzierers 26" auftretende Spannung ur" über den Schalter
25" an den Eingang des Schwellenschallers 18 gelegt. Im
Zeitbereich des "Wendepunkies des vormagnetisierungsstromes
i, sind jeweils beide Schalter 25' und 25" geöffnet, so daß die störenden Nadelimpulse u„ (F i g. 8a
und 8b) ausgeblendet werden. Die Impulsdauer T' (F i g. 8e) 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.
so Selbstverständlich ist es auch möglich, die Schalter 25' und 25" so zu steuern, daß während mehreren
aufeinanderfolgenden Perioden des Vormagnetisierungsstromes iy der gleiche Meßkanal abgefragt wird.
Dies gestattet, das Meßergebnis über mehrere Meßperioden zu mitteln.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
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 MaB für die Größe des Meßstromes darstellt, gekennzeichnet
durch mindestens einen dem Schwellensciialter
(18) vorgeschalteten Schalter (14; 16? 25; 25';
25") zur kurzzeitigen Sperrung des Schweuer.schalters
(18) hn Zeitbereich des Wendepunktes des Vonnagnetisierungsstromes (h).
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
Vonnagnetisierungsstromes (iy) und der zweite Schalter (16) jeweils im Zeitbej-eich des abfallenden
Vormagnetisierungsstronies (i,) geschlossen ist und
daß beide Schalter (14; 16) Li Zeitbereich des Wendepunktes des Vormagnetisierungsstromes (i,)
geöffnet sind
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 (/V)
geöffnet ist.
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 (i,) 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. Schaltungssystem zum potentialfreien Messen von /?>2 Strömen oder Spannungen, dadurch
gekennzeichnet, daß η Schaltungsanordnungen nach Anspruch 1 vorhanden sind, wobei ein einziger
Schwellenschalter (18) den η Schaltungsanordnungen gemeinsam ist, und daß die Differenzierer (26';
26") der η Schaltungsanordnungen über einen Multiplexschalter (25'; 25") in zyklischer Reihenfolge
mit dem Eingang des Schwellenschallers (18) verbindbar sind.
6. Schaltungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (25'; 25") zur
kurzzeitigen Sperrung des Schwellenschalters (18) der τι Schaltungsanordnungen durch den Multiplexschalter
gebildet sind.
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
CH789678A CH630730A5 (en) | 1978-07-21 | 1978-07-21 | Circuit arrangement for the isolated measurement of currents or voltages |
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DE2834499B1 DE2834499B1 (de) | 1979-08-16 |
DE2834499C2 true DE2834499C2 (de) | 1980-04-24 |
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Family Applications (1)
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Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
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DE (1) | DE2834499C2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6218825B1 (en) | 1997-02-14 | 2001-04-17 | Vacuumschmelze Gmbh | Current sensor with self-oscillating generator circuit |
Families Citing this family (4)
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EP0132745B1 (de) * | 1983-07-20 | 1989-10-18 | VEB Transformatoren- und Röntgenwerk "Hermann Matern" | Einrichtung zur Messung von Gleichströmen |
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DE102009028167A1 (de) * | 2009-07-31 | 2011-02-10 | Robert Bosch Gmbh | Batteriesensor mit Fluxgate |
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- 1978-07-21 CH CH789678A patent/CH630730A5/de not_active IP Right Cessation
- 1978-08-07 DE DE19782834499 patent/DE2834499C2/de not_active Expired
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US6218825B1 (en) | 1997-02-14 | 2001-04-17 | Vacuumschmelze Gmbh | Current sensor with self-oscillating generator circuit |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CH630730A5 (en) | 1982-06-30 |
DE2834499B1 (de) | 1979-08-16 |
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