DE3008526C2

DE3008526C2 - Gleichstrom-Grenzwertgeber

Info

Publication number: DE3008526C2
Application number: DE19803008526
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dipl.-Ing. Dr. 6800 Heidelberg Gevatter
Original assignee: Doduco GmbH and Co KG Dr Eugen Duerrwaechter
Current assignee: Doduco Solutions GmbH
Priority date: 1980-03-06
Filing date: 1980-03-06
Publication date: 1981-11-26
Also published as: DE3008526A1; GB2071342B; GB2071342A; FR2477720A1; FR2477720B3

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Grenzwertgeber mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Es ist bekannt Gleichströme auf das Einhalten von Grenzwerten zu überwachen, indem man den zu überwachenden Gleichstrom mit einem Gleichstrom von vorgegebener Stärke (Vergleichsstrom) vergleicht und ein Signal auslöst, wenn die Differenz dieser beiden Ströme einen vorgegebenen Wert überschreitet Dabei ist es in vielen Anwendungsfällen erforderlich, den zu messenden Strom und den Vergleichsstrom galvanisch voneinander zu trennen. Zu diesem Zweck kann man die beiden Ströme durch zwei galvanisch getrennte Wicklungen hindurchschicken, die durch einen ferromagnetischen Kern miteinander gekoppelt sind. Es werden somit nicht unmittelbar die Gleichströme, sondern die durch sie im ferromagnetische!! Kern hervorgerufenen magnetischen Kraftflüsse miteinander verglichen. Ein dazu geeignetes Instrument ist ein Drehspulinstrument, dessen Ausgangssignal das Drehmoment bzw. der Drehwinkel der Drehspule ist, der ein Maß für die Differenz der magnetischen Durchflutungen bzw. der zugehörigen, zu vergleichenden Ströme ist. Das erhaltene Vergleichssignal kann abgelesen oder in bekannter Wtfse in ein zur automatischen Meßwertverarbeitung geeignetes elektrisches Signal umgeformt werden.

Die galvanische Trennung der beiden Ströme muß bei den bekannten Gleichstrom-Grenzwertgebern durch einen erheblichen elektromechanischen Aufwand erkauft werdfcn. So muß ζ. B. der für den Vergleich der Durchflutungen der beiden Wicklungen notwendige ferromagnetische Kern zu einem magnetischen Kreis geschlossen werden, z. B. über ein geblechtes Eisenjoch. Zusätzlicher Aufwand ist erforderlich, wenn — wie üblich — zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Grenzwertgiibers eine hohe Spannungsfestigkeit der Isolation gefordert wird; die Spannungsfestigkeit wird üblicherweise durch Anlegen einer Prüfspannung von 2,5 kV oder mehr überprüft.

Aus der DE-OS 23 31 789 ist bereits eine Vorrichtung zur Funktionsprüfung elektrischer Verbraucher an Gleichstromnetzen, insbesondere an Lichtanlagen für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der auf die Versorgungsleitung des Verbrauchers ein ringförmiger Speichermagnetkern aufgefädelt ist. Ferner ist eine Hilfsleitung durch den Magnetkern hindurchgeführt, welche durch Tastendruck mit einer Gleichspannungsquelle verbindbar ist. Durch den in der Hilfsleitung fließenden Strom wird der Magnetkern in der einen Richtung bis in den Bereich der Remanenz magnetisiert und nach dem Zuschalten des Verbrauchers wird der Magnetkern durch den in der Versorgungsleitung fließenden Gleichstrom ummagnetisiert Diese Ummagnetisierung erzeugt in der Hilfsleitung einen Induktionsstoö, welcher als Prüfsignal verwendet wird. Diese bekannte Vorrichtung erlaubt nur die Feststellung, ob in einer Leitung ein Gleichstrom fließt oder nicht, wobei vor der Prüfung zunächst der Hilfskreis geschlossen werden muß. Eine kontinuierliche Überwachung von vorwählbaren Gleichstromgrenzwerten ist auf diese Weise nicht möglich. Außerdem hängen die Form und Höhe des durch die Ummagnetisierung erzeugten Prüfsignals von der Höhe und der Änderungsgeschwindigkeit des Gleichstroms in der Verbrauchsleitung ab.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen kompakten und spannungsfesten Gleichstromgrenzwertgeber der gattungsgemäßen Art zu schaffen, dessen digitales Ausgangssignal aus Impulsen von gleichbleibender Höhe und Breite besteht

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Gleichstrom-Grenzwertgeber mit d --., im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Als bistabile magnetische Elemente, auch als bistabile magnetische Schaltkerne bezeichnet, eignen sich vor allem sogenannte Wiegand-Drähte, deren Aufbau und Herstellung in der DE-OS 21 43 326 beschrieben sind. Wiegand-Drähte sind in ihrer Zusammensetzung homogene, ferromagnetische Drähte Jz. B. aus einer Legierung von Eisen und Nickel, vorzugsweise 48% Eisen und 52% Nickel, oder aus einer Legierung von Eisen und Kobalt, oder aus einer Legierung von Eisen mit Kobalt und Nickel, oder aus einer Legierung von Kobalt mit Eisen und Vanadium, vorzugsweise 52% Kobalt 38% Eisen und 10% Vanadium), die infolge einer besonderen mechanischen und thermischen Behandlung einen weichmagnetischen Kern und einen hartmagnetischen Mantel besitzen, d. h. der Mantel besitzt eine höhere Koerzitivkraft als der Kern. Wiegand-Drähte haben typisch eine Länge von 5 bis 50 tr. an, vorzugsweise von 20 bis 30 mm. Bringt man einen Wiegand-Draht, bei dem die Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Kerns mit der Magnetisie- rungsrichtung des hartmagnetischen Mantels übereinstimmt, in ein äußeres Magnetfeld, dessen Richtung mit der Richtung der Drahtachse übereinstimmt, der Magnetisierungsrichtung des Wiegand-Drahtes aber entgegengesetzt ist dann wird bei Überschreiten einer Feldstärke von ca. 16 A/cm die Magnetisierungsrichtung des weichen Kerns des Wiegand-Drahtes umgekehrt. Diese Umkehrung wird auch als Rückstellung bezeichnet Bei erneuter Richtungsumkehr des äußeren Magnetfeldes kehrt sich die Magnetisierungsrichtung

des Kerns bei Überschreiten einer kritischen Feldstärke des äußeren Magnetfeldes erneut um, so daß der Kern und der Mantel wieder parallel magnetisiert sind. Diese Umkehrung der Magnetisierungsrichtung erfolgt sehr rasch und geht mit einer entsprechend starken

Änderung des magnetischen Kraftflusses pro Zeiteinheit einher (Wiegand-Effekt). Diese Änderung des Kraftflusses kann in einer Induktionsspule einen Kurzen und sehr hohen (je nach Windungszahl und Belastungswiderstand der Induktionsspule bis ca. 12 Volt)

hj Spannungsimpuls induzieren (Wiegand-Impuls).

Auch beim Zurücksttllen des Kerns wird ein Impuls in einer Induktionsspule erzeugt, allerdings mit wesentlich geringerer Amplitude und umgekehrtem Vorzeichen als

im Falle des Umklappens von der antiparallelen in die parallele Magnetisierungsrichtung.

Wählt man als äußeres Magnetfeld ein Wechselfeld, welches in der Lage ist, zuerst den Kern und danach auch den Mantel umzumagnetisieren und jeweils bis in die magnetische Sättigung zu bringen, so treten Wiegand-Impulse infolge des Umklappens der Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Kerns abwechselnd mit positiver und negativer Polarität auf und man spricht von symmetrischer Erregung des Wiegand-Ürahtes. Dazu benötigt man Feldstärken von ca. -(80 bis 120 A/cm) bis +(80 bis 120 A/cm). Das Ummagnetisieren des Mantels erfolgt ebenfalls sprunghaft und führt ebenfalls zu einem Impuls in der Induktionsspule, jedoch ist der Impuls wesentlich kleiner als der beim Umklappen des Kerns induzierte Impuls und wird zumeist nicht ausgewertet.

Wählt man jedoch als äußeres Magnetfeld ein solches, welches nur in der Lage ist. den weichen Kern, nicht aber den harten Mantel in seiner Magnetisierungsrichtung umzukehren, dann treten die hohen Wiegand-Impulse nur mit gleichbleibender Polarität auf und man spricht von asymmetrischer Erregung des Wiegand-Drahtes. Dazu benötigt man in der einen Richtung eine Feldstärke von wenigstens 16 A/cm (für die Rückstel lung des Wiegand-Drahtes) und in der umgekehrten Richtung eine Feldstärke von ca. 80 bis 120 A/cm.

Charakteristisch für den Wiegand-Effekt ist, daß die durch ihn erzeugten Impulse in Amplitude und Breite weitgehend unabhängig sind von der Änderungsge schwindigkeit des äußeren Magnetfeldes und ein hohes Sign al-zu-Rausch-Verhältnis aufweisen.

Für die Erfindung geeignet sind auch anders aufgebaute bistabile magnetische Elemente, wenn diese zwei magnetisch miteinander gekoppelte Bereiche von unterschiedlicher magnetischer Härte (Koerzitivkraft) besitzen und in ähnlicher Weise wie Wiegand-Drähte durch induziertes, rasch erfolgendes Umklappen des weichmagne'ischen Bereiches zur Impulserzeugung verwendet werden können. So ist zum Beispiel aus der DF.-PS 25 Η 131 ein bistabiler magnetischer Schaltkern in Gestalt eines Drahtes bekannt, der aus einem hartrriagiieiisciicn Kern {/.. B. aus riickei-Koöait), aus einer darauf abgeschiedenen elektrisch leitenden Zwischenschicht (z. B. aus Kupfer) und aus einer hierauf abgeschieden weichmagnetischen Schicht (z. B. aus Nickel-Eisen) besieht. Eine andere Variante verwendet zusätzlich einen Kern aus einem magnetisch nicht leitenden metallischen Innenleiter (z. B. aus Beryllium-Kupfer), auf den dann die hartmagnetische Schicht. darauf die Zwischenschicht und darauf die weichmagne-■!sche Schicht abgeschieden werden. Dieser bekannte bistabile magnetische Schaltkern erzeugt allerdings geringere Schaltimpulse als ein Wiegand-Draht.

Der erfindungsgemä3e Gleichstrom-Grenzwertge ber wird i. a. mit asymmetrischer Erregung des BME betrieber. Im Normalzustand soll dabei das BME antiparallel magnetisiert sein. d. h. die Magnetisierungsrichtungen des hart- und des weichmagnetischen Bereichs sind entgegengerichtet. Überschreitet nun der zu überwachende Gleichstrom einen vorbestimmten oberen oder unteren Grenzwert, dann erreicht das resultierende Magnetfeld am Ort des BME in der Richtung, die der augenblicklichen Magnetisierungsrichiung des weichmagnetischen Bereichs entgegengerot-it ;c» ainari VL'et-t Hör inerö ^Kf π m AiO Mtrmoticia

3V I*- I : Jl. --IliVH · · 'Wl L. U^. E tx-J J t -- : -_ SI-.- W . Ii Ul*. 1T(U£(1^VUIX, rungsrichtung des weichrr.agnetischen Bereichs des BViE jiTiZukeh-er. in die parallele Orientierung. Dies; Umkehr der Magnetisierungsrichtung erfolgt abrupt bei einer vorgegebenen, von den Eigenschaften des BME abhängigen Feldstärke und führt in der Sensorwicklung zur Erzeugung eines kräftigen Spannungsimpulses. Dieser Spannungsimpuls kann in vielfacher Weise verwendet werden, so z, B. zum Abschalten des Gerätes, in welchem der Gleichstrom-Grenzwertgeber eingebaut ist. Wenn nach dem Überprüfen des Gerätes dieses wieder eingeschaltet wird und sich der zu überwachende Gleichstrom wieder in seinem Sollbereich befindet, ist das resultierende Magnetfeld umgekehrt gerichtet als bei der Auslösung des charakteristischen Impulses, und es kann den weichmagnetischen Bereich des BME wieder magnetisch zurückstellen in den Zustand, wo die Magnetisierungen des weich- und des hartmagnetischen Bereichs entgegengerichtet sind. (Bei Wiegand-Drähten wird dazu eine Feldstärke von ca. - 16 A/cm benötigt.)

Während ein Grenzwertgeber, welcher nur einen einzigen Impuls abgibt, wenn der vorbestimmte Grenzwert überschritten wird, nur zu Abschaltzwecken oder dgl. Sicherungsaufgaben verwendet werden kann, wird bei der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 dem vorgegebenen Vergleichs-Kraftfluß, der den Gleichstrom-Sollwert repräsentiert, eine zeitlich periodisch schwankende Kraftflußkomponente überlagert, so daß auch der insgesamt resultierende Kraftfluß zeitlich periodisch schwankt. Dies hat den Vorteil, 4aß bei Überschreiten des vorbestimmten Grenzwertes das BME periodisch asymmetrisch erregt wird, d. h., nach Überschreiten des vorbestimmten Grenzwertes schwankt die Feldstärke des resultierenden Magnetfeldes am Ort des BME zwischen zwei Werten mit entgegengesetztem Vorzeichen, von denen der eine groß genug ist, um das BME magnetisch zurückstellen zu können, und von denen der andere Wert groß genug ist. um das BME umgekehrt in den Zustand der parallelen Magnetisierung seiner beiden Bereiche zu überführen, wobei jedesmal der charakteristische Impuls in der Sensorwicklung erscheint.

Nach Überschreiten des Grenzwertes erhält man also am Ausgang des Gebers als Ausgangssignal eine periodische Impulsfolge je nach Wahl der zur Überlagerung gelangenden rviagncuciuci ««»οία. solange sich der zu überwachende Gleichstrom im zulässigen Bereich oder wenn er sich im unzulässigen Bereich befindet. Das Austreten oder Ausbleiben der Impulsfolge zeigt also an, auf welcher Seite des Grenzwertes der zu überwachende Gleichstrom liegt.

Die Maßnahmen, die ergriffen werden müssen, um die Magnetfelder bzw. inre Kraftflüsse so zu dimensionieren, daß das BME entweder auf der einen Seit«· des Grenzwertes oder auf der anderen Seite des Grenzwertes zur Impulserzeugung erregt wird, sind dem Fachmann allgemein geläufig.

Der vorgegebene Vergleichs-Kraftfluß kann ebenso wie der periodisch schwankende Kraftfluß, der die periodische Erregung des BME ermöglicht, grundsätzlich durch Dauermagnete erzeugt werden, der Vergleichs-Kraftfluß z. B. durch einen neben dem BME angeordneten Stabmagneten und der schwankende Kraftfluß z. B. durch einen neben dem BME angeordneten Magneten, der mit vorgegebener Drehzahl rotiert (Ansprüche 2 und 6). Vorzugsweise werden sowohl der Vergleichs-KraftfluB als auch der periodisch schwankende KraftfluB jedoch durch zwei getrennte Wicklun- _.*« ..An A*%n**n A\e* etno (Ait* VortrI^kir^HcWifbinncr^ vnn gi.ii. »viii uv.···-!· ν».- «....«. ,—.- -~·_ο· ο/ ·—·

dem Vergieichsstrom und die andere (die Rückstellwicklung) von einem Wechselstrom oder einem pulsierenden

Gleichstrom durchflossen ist (Ansprüche 3 und 8), oder durch eine gemeinsame Wicklung erzeugt, die von einem pulsierenden Gleichstrom oder von Wechselstrom durchflossen ist und die sowohl die Funktion der Vergleichswicklung als auch die Funktion der Rückstellwicklung ausübt (Ansprüche 3 und 7).

Die Schwankungsbreite des vorgegebenen magnetischen Vechselfeldes muß bei asymmetrischer Erregung von Wiegand-Drähten an deren Ort größer sein als ca. 100 bis 140 A/cm, bei symmetrischer Erregung von Wiegand-Drähten muß sie größer sein ah ca. 160 bis 240 A/cm. Im letzteren Fall (Anspruch 5) bietet sich die Möglichkeit, zwei Grenzwerte festzulegen: Die erste Schwelle bildet der Übergang von fehlender Erregung zu asymmetrischer Erregung, die zweite Schwelle bildet der Übergang von asymmetrischer zu symmetrischer Erregung des BME. Die zugehörigen Ausgangssignale des Gleichstrom-Grenzwertgebers sind

(a) keine Impulse in der Sensorwicklung,

(b) unipolare Impulsfolge in der Sensorwicklung,

(c) alternierende Impulsfolge in der Sensorwicklung.

Der Bereich der asymmetrischen Erregung läßt sich z. B. zur Erzeugung eines bestimmten Vorwarnsignals verwenden, welches anzeigt, daß sich der zu überwachende Gleichstrom seinem Grenzwert (der in diesem Fall durch die Schwelle zur symmetrischen Erregung definiert ist) genähert hat.

Anspruch 9 beschreibt einen komplexeren Gleichstrom-Grenzwertgeber, der anstelle von zwei separaten Grenzwertgebern sowohl bei Unterschreiten eines unteren Grenzwertes als auch bei Überschreiten eines oberen Grenzwertes des zu überwachenden Gleichstroms ein charakteristisches Ausgangssignal erzeugt. Dabei bestehen verschiedene Möglichkeiten des Aufbaus und der Betriebsweise dieses Grenzwertgebers. Zunächst wird die Variante erläutert, bei der die beiden BME so angeordnet werden, daß ihre hartmagnetischen Bereiche entgegengerichtet magnetisiert sind (Anspruch 12). Die erzeugten magnetischen Felder wirken auf die beiden 3ME in entgegengesetzter Richtung ein. wci! ücicii !im miftgnciisiiic Bereiche einander entgegengesetzt polarisiert sind. Werden daher beide BME durch ein magnetisches Wechselfeld mit hinreichender Schwankungsbreite, welches sich dem Feld des zu überwachenden Gleichstroms überlagert, beeinflußt, so wird das insgesamt resultierende Magnetfeld bei Änderung des überwachten Gleichstroms in der einen Richtung einen Wert erreichen, der das eine BME zur asymmetrischen Erregung befähigt, während bei Änderung des Gleichstroms in der anderen Richtung irgendwann das resultierende Magnetfeld einen Wert erreicht, der zur asymmetrischen Erregung des anderen BME befähigt. Dabei wird jedesmal in der gemeinsamen Sensorwicklung eine Impulsfolge induziert jedoch haben die Impulse für die beiden Grenzwerte unterschiedliches Vorzeichen, so daß eine Impulsauswerteschaltung am Ausgang des Grenzwertgebers feststellen kann, welcher der beiden Grenzwerte überschritten wurde. Bei getrennten Sensorwicklungen erscheinen die Impulse jeweils nur in der dem umklappenden BME zugehörigen Sensorwicklung.

Wenn man nur eine gemeinsame Rücksteilwicklung benutzt, um das magnetische Wechselfeld einzuführen, und auch nur eine gemeinsame Vergleichswickhjng benutzt, um einen Vergleichsstrom in ein Vergieichsfeld umzuformen (Anspruch 10), dann ist natürlich die Wahl

der Lage der beiden Grenzwerte eingeschränkt. Es wird daher bevorzugt (Anspruch 9) jedem der BME entweder eine eigene Vergleichswicklung zuzuordnen, über welche unterschiedliche Gleichströme als Vergleichsströme eingespeist werden, während über die nur einmal vorhandene gemeinsame Rückstellwicklung ein Wechselstrom oder ein pulsierender Gleichstrom zugeführt wird (Anspruch 15), oder jedem BME eine eigene Rückstellwicklung zuzuordnen, welchen unterschiedliche pulsierende Gleichströme zugeführt werden, während über die nur einmal vorhandene gemeinsame Vergleichswicklung der Vergleichsstrom eingespeist wird (Anspruch 14). Man ist dann in der Lage, bei vorgegebenen Windungszahlen der Wicklungen Größe und Abstand der beiden Grenzwerte durch entsprechende Wahl der Vergleichsströme und der Wechselströme bzw. pulsierenden Gleichströme frei zu wählen.

Man kann aber auf eine gemeinsame Vergleichswicklung oder auf eine gemeinsame Rückstellwicklung für die Wechselfeldkomponente verzichten zugunsten zweier den BME einzeln zugeordneter Wicklungen (Anspruch 11), welche sowohl mit je einem Vergleichsstrom als auch mit je einer Wechselstromkomponente gespeist werden und somit als Vergleichswicklung und zugleich als Rückstellwicklung dienen.

Wenn umgekehrt die beiden BME derart angeordnet werden, daß ihre hartmagnetischen Bereiche gleichgerichtet sind, dann werden sie durch das Feld der Meßwicklung und einer etwa vorhandenen weiteren gemeinsamen Wicklung gleichsinnig beeinflußt. Damit dennoch bei einem oberen Grenzwert für das eine BME und bei einem unteren Grenzwert für das andere BME die Schwelle der asymmetrischen Erregung überschritten werden kann, muß in diesem Fall das eine BME zusätzlich einem magnetischen Gleichfeld ausgesetzt werden, welches dem magnetischen Gleichfeld, welchem das andere BME zur Grenzwertfixierung zusätzlich ausgesetzt wird, entgegengerichtet ist. Dies kann zum einen dadurch geschehen, daß man jedem der beiden BME eine gesonderte Vergleichswicklung zuordnet, die mit einem solchen Vergleichsstrom gespeist wird, daß die dadurch hervorgerufenen Felder am On des BiviE enigegengericmei sind, wahrend eine gemeinsame Wicklung mit Wechselstrom oder pulsierendem Gleichstrom gespeist wird (Anspruch 13). Die Richtung der so erzeugten Magnetfelder kann dabei sowohl durch Wahl des Vorzeichens des Vergleichsstroms als auch durch die Wahl der Wicklungsrichtung (rechtshändige oder linkshändige Wicklung) bestimmt werden.

Es ist aber auch möglich, auf die gemeinsame Rm. kstellwicklung zu verzichten und jedem der beiden Gleichströme, welche in die beiden den BME einzeln zugeordneten Vergleichswicklungen eingespeist werden, eine eigene Wechselstromkomponente zu überlagern (Anspruch 14). Haben diese Wechselstromkomponenten übereinstimmende Frequenz, benötigt man für jedes BME eine eigene Sensorwicklung, damit unterschieden werden kann, welches BME die Impulse erzeugt Haben jedoch die Wechselstromkomponenten unterschiedliche Frequenz (Anspruch 15), dann kann man anhand der Impulsfrequenzen erkennen, von welchem BME die Impulse stammen, und man benötigt deshalb nicht unbedingt zwei Sensorwicklungen.

Zum Zwecke der Erzielung einer möglichst guten magnetischen Kopplang, die Streaveriuste weitgehend vermeidet, wird bevorzugt daß die verschiedenen Wicklungen die BME unmittelbar umgeben (Anspruch

16). Zur Erzielung besonders hoher und störsicherer Signale empfiehlt es sich besonders, als BME Wiegand-Drähte zu verwenden (Anspruch 17).

Die Erfindung ermöglicht auf einfache und preiswerte Weise die Realisierung eines zuverlässigen und kompakten Gleichstrom-Grenzwertgebers mit galvanischer Trennung zwischen Ein- und Ausgängen und besonders hoher Spannungsfestigkeit der Isolation. Das Ausgangssignal des Gebers ist digital und besteht aus impulsen von gleichbleibender Breite und Höhe, die unmittelbar weiterverwendet werden können.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß im Nahbereich des Grenzwertes auch ein analoges Ausgangssignal erhalten werden kann, und zwar mittels eines Phasendetektors (Anspruch 18). Dies liegt daran, daß die Phasenlage der erzeugten Impulse bezogen auf die Phase der verwendeten Wechselstromkomponente — wie noch erläutert wird — von der Stärke der resultierenden Gleichfeldkomponente abhängt.

Aüsfiihriiri"s!?eisⁿis!s der Eriindun** sind schciTiutisch in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.

Fig. I zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem Wiegand-Draht;

Fig. 2 zeigt ein Magnetfelddiagramm zu der Schaltungsanordnung aus Fig. 1 im Zustand fehlender Erregung;

Fig. 3 zeigt ein Magnetfelddiagramm zu der Schaltungsanordnung aus Fig. 1 bei asymmetrischer Erregung; und

F i g. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Überwachung von zwei Gleichstrom-Grenzwerten.

Fig. 1 zeigt einen Wiegand-Draht t, der vier Wicklungen 2 bis 5 trägt. Der zu überwachende Strom /, wird in eine Meßwicklung 4 eingespeist und erzeugt im Wiegand-Draht I das Magnetfeld der Stärke H,. Der Vergleichsstrom /» mit dem der zu überwachende Strom verglichen werden soll, wird in eine Vergleichswicklung 3 eingespeist und erzeugt im Wiegand-Draht 1 ein Magnetfeld der Stärke W₅. Diesen beiden magnetischen Gleichfeldern wird ein pulsierendes Magnetfeld überlagert, indem einer Rückstellwicklung 1 ein pulsierender Gleichstrom lugeführt wird, z. B. ein im Wege der Vollwellengleichrichtung gleichgerichteter sinusförmiger Wechselstrom /, der zu einem pulsierenden Magnetfeld Hy führt, dessen zeitlicher Verlauf in F i g. 2 dargestellt ist.

Schließlich besitzt der Geber noch eine Sensorwicklung 5 auf dem Wiegand-Draht 1, in welcher die Wiegand-Impulse induziert werden.

Ist H, = Η,, d. h. das durch die Ströme /, und /, erzeugte resultierende Magnetfeld gerade Null:

dann hat das insgesamt resultierende Magnetfeld H = Hxw+ H\

den in F i g. 2 dargestellten Verlauf. In der Sensorwicklung 5 werden keine Impulse erzeugt, da das resultierende Magnetfeld H keinen Nulldurchgang besitzt und damit die für eine asymmetrische Erregung des Wiegand-Drahtes 1 erforderliche magnetische Rückstellung nicht erfolgen kann. Diese kann vielmehr erst erfolgen, sobald

H„< -16 A/cm

ist, weil zum Rückstellen des Wiegand-Drahtes 1 etwa eine Feldstärke von —16 A/cm benötigt wird. Ist dies der Fall, so hat das resultierende Feld den in F i g. 3 gezeigten Verlauf und in jeder Periode des pulsierenden Gleichstromes Jy wird in der Sensorwicklung ein Wiegand-Impuls 6 erzeugt. Der Schwellenwert, den der Strom Jx nicht überschreiten darf, ist also im dargestellten Beispiel bestimmt durch die Summe des Vergleichsfeldes H_s(J,)md des Rückstellfeldes von -16 A/cm.

Bei dem in Fig.4 gezeichneten Beispiel sind zwei Wiegand-Drähte 1 und Γ parallel zueinander, jedoch in

ίο Längsrichtung einander nur teilweise überlappend dargestellt. Die hartmagnetischen Bereiche (Mäntel) der Wiegand-Drähte sind relativ zueinander antiparallel magnetisiert.

Der Gleichstrom, welcher als Vergleichsstrom /,

ι) (Sollwert) dient, wird in eine Vergleichswicklung 3, der zu überwachende Strom der Stärke /, (Istwert) in eine Meßwicklung 4 eingespeist. Die Meßwicklung 4 und dk Vergleichswicklung 3 sind beide so angeordnet, daß sie von beiden Wiegand-Drähten 1 und Γ auf voller Länge

in der V^!Ck!u^r!^<TAn Hltrr*HcPl7t cinrt Δη ^"Π fii^h* überlappenden Enden der Wiegand-Drähte 1 und Γ besitzen beide Wiegand-Drähte je eine Wicklung 7 bzw. 8 zur Einspeisung eines pulsierenden Gleichstroms /_M bzw. Jt2 zur Erzeugung entgegengesetzt gerichteter

:■> pulsierender Magnetfeldkomponenten sowie je eine Sensorwicklung 9 und 10, in denen die Wiegand-Impulse erzeugt werden.

Jeder der beiden Wiegand-Drähte 1, Γ kann für sich mit seinen vier zugehörigen Wicklungen 3, 4, 7 und 9

tu bzw. 3, 4, 8 und 10 genauso betrachtet werden wie der Wiegand-Draht 1 mit seinen vier Wicklungen 2-5 in Fig. I.

Bei positiver Differenz W,»-der Magnetfeldstärken H_x und H, kann folglich der eine, bei negativer Differenz

)> H,» kann der andere der beiden Wiegand-Drähte 1, Γ asymmetrisch erregt werden, so daß bei Erreichen des einen Grenzwertes in der Sensorwicklung 9, bei Erreichen des anderen Grenzwertes in der Sensorwicklung 10 eine Folge von Wiegand-Impulsen induziert

4(i wird.

In beiden Ausführungsbeispielen ist Voraussetzung für die asymmetrische Erregung der Wiegand-Drähte, daß das pulsierende Magnetfeld Hy eine Schwankungsbreite von wenigstens 100 bis 140 A/cm hat. damit

y-> einerseits die erforderlichen - 16 A/cm für die Rückstellung und andererseits die nötigen ca. +80 bis 120 A/cm für die Sättigung des Wiegand-Drahtes in der anderen Richtung erbracht werden.

Außer dem digitalen Ausgangssignal des Grenzwertin gebers kann in der Nähe des Grenzwertes, d. h. bei einsetzender asymmetrischer Erregung, auch noch die Phasenlage der Wiegand-Impulse in bezug auf die pulsierenden Gleichströme Jy, /n, Jn als analoges Ausgangssignal verwertet werden. Dies soll am Beispiel der Fig.2 und 3 erläutert werden. Das mit dem pulsierenden Strom Jy verknüpfte Magnetfeld H\ besteht aus positiven sinusförmigen Halbwellen, für die im Bereich des Phase von φ = Obis φ = π-gilt:

//, = H₁ - sin ω t,

worin t die Zeit, ω die Kreisfrequenz und H\ die Amplitude des Magnetfelds Hy ist.

Ein Wiegand-Impuls 6 kann erst erzeugt werden. wenn dem pulsierenden Magnetfeld Hy ein magnetisches Gleichfeld W„< -16 A/cm überlagert ist. Die Wiegand-impuise 6 treten dann aber materiaibedingt nicht im Nulldurchgang der resultierenden Feldstärke

11

H- H\ + H_xu, sondern bei ungefähr H = +10 A/cm auf, so daß für die zugehörige Phasenlage

die Beziehung gilt

(II)

Da Tür H_x, negative Werte angenommen sind. kant. man in (IV) auch den absoluten Betrag | H_x, | einführen, so daß aus (IV)

smp,, =

ΙΟΛ/cm +\H„\

//, (?>„) = ΙΟΛ/cm = Ζ?, si

sin f/)„

ΙΟΛ/cm - //.. /7,

//,„ < ,6 Λ/cm

O < φ ι, < 40°

(Ill) wird.

in Diese Beziehung kann ausgenutzt werden, um festzustellen, wie stark ein Grenzwert überschritten wurde. Wenn man die Magnetfelder jedoch so wählt, daß im erlaubten Bereich der Stromstärke eine Impulsfolge erzeugt wird, die bei Überschreiten des Grenzwertes abreißt, dann kann man aus der Phasenlage der Impulse mittels eines Phasendetektors bestimmen, wie weit die momentane Stromstärke /, noch vom Grenzwert /,entfernt ist.

Hier/u 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gleichstrom-Grenzwertgeber mit galvanischer Trennung der Signaleingänge und Signalausgänge, bei dem der zu überwachende Gleichstrom in eine elektrische Wicklung (Meßwicklung) eingespeist und der durch den zu überwachenden Gleichstrom in einem mit der Meßwicklung gekoppelten ferromagnetischen Kern hervorgerufene magnetische Kraftfluß mit einem vorgegebenen Kraftfluß verglichen und in Abhängigkeit von der Größe des resultierenden Kraftflusses ein Ausgangssignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ein bistabiles magnetisches Element (1,1') (nachfolgend BME genannt) ist, mit dem als weitere elektrische Wicklung eine Sensorwicklung (5,9,10) magnetisch gekoppelt ist

2. Gleichstrom-Grenzwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des vorgegebenen Kraftflusses ein Dauermagnet oder eine Anordnung von Dauermagneten vorgesehen ist

3. Gleichstrom-Grenzwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des vorgegebenen Kraftflusses eine dritte Wicklung als Vergleichswicklung (3) vorgesehen ist die zum Anschluß an eine einen Gleichstrom von vorgegebener Stärke (Vergleichsstrom) liefernde Gleichstromquelle bestimmt ist 3u

4. Gleichstrom-Grenzwertgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß dem vorgegebenen Kraftfluß eine zeitlich periodisch schwankende Kraftflußkomponente überlagert ist deren Schwankungsbreite wenigstens zur asymmetrischen Erregung des BME (1,1') befähigt

5. Gleichstrom-Grenzwertgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß dem vorgegebenen Kraftfluß eine zeitlich periodisch schwankende Kraftflußkomponente überlagert ist, deren Schwankungsbreite auch zur symmetrischen Erregung des BME(I, V) befähigt

6. Gleichstrom-Grenzwertgeber nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer zeitlich periodisch schwankenden Kraftflußkomponente neben dem BME ein mit vorgegebener Drehzahl rotierender Dauermagnet vorgesehen ist

7. Gleichstrom-Grenzwertgeber nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der dem vorgegebenen Kraftfluß überlagerten in zeitlich periodisch schwankenden Kraftnußkomponente die Vergleichswicklung (3) von Wechselstrom oder von einem pulsierenden Gleichstrom durchflossen wird.

8. Gleichstrom-Grenzwertgeber nach Anspruch 4 « oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der dem vorgegebenen Kraftfluß überlagerten zeitlich periodisch schwankenden Kraftflußkomponente mit dem BME (1) eine gesonderte, vierte Wicklung als Rückstellwicklung (2, 7, 8) gekoppelt f>n ist, welche von Wechselstrom oder von einem pulsierenden Gleichstrom durchflossen wird.

9. Gleichstrom-Grenzwertgeber nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei BME-e (1, V) vorgesehen sind, die beide mit der Meßwicklung hi (4) gekoppelt sind, die weiterhin entweder beide mit der Vergleichswicklung (3) und einzeln mit je einer Rückstellwicklung (7, 8) oder einzeln mit je einer Vergleichswicklung und beide mit der RQckstellwicklung gekoppelt sind,

und die ferner entweder mit einer gemeinsamen oder mit je einer eigenen Sensorwicklung (9, 10) gekoppelt sind,

und daß die beiden BME (1,1') so angeordnet sind, daß ihre hartmagnetischen Bereiche entgegengerichtet magnetisiert sind.

10. Gieichstrom-Grenzwertgeber nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet daß zwei BME-e (1, 1') vorgesehen sind, die beide mit der Meßwicklung (4) sowie mit der Vergleichswicklung (3) und mit der einzigen Rückstellwicklung gekoppelt sind,

und die femer entweder mit einer gemeinsamen oder mit je einer eigenen Sensorwicklung (9, 10) gekoppelt sind und daß die beiden BME-e (1, V) so angeordnet sind, daß ihre hartmagnetischen Bereiche entgegengerichtet magnetisiert sind.

11. Gleichstrom-Grenzwertgeber nach Anspruch

7, dadurch gekennzeichnet daß zwei BME-e (1, V) vorgesehen sind, die beide mit der Meßwicklung (4) gekoppelt sind, und die ferner einzeln mit je einer weiteren, zum Einspeisen von pulsierenden Gleichströmen bestimmten und sowohl als Vergleichs- wie als Rückstellwicklung dienenden Wicklung, sowie entweder mit einer gemeinsamen oder mit je einer eigenen Sensorwicklung (9,10) gekoppelt sind, und daß die beiden BME-e (1,1') so angeordnet sind, daß ihre hartmagnetischen Bereiche entgegengerichtet magnetisiert sind.

12. Gleichstrom-Grenzwertgeber nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet daß die beiden BME-e (1, 1') mit einer gemeinsamen Sensorwicklung gekoppelt sind.

13. Gleichstrom-Grenzwertgeber nach Anspruch

8, dadurch gekennzeichnet daß zwei BME-e vorgesehen sind, die beide mit der Meßwick!ung sowie mit der Rückstellwicklup.g gekoppelt sind, die weiterhin einzeln mit je einer Yw-rgleichswicklung gekoppelt sind, welche derart gepolt sind, daß die durch sie hervorgerufenen Magnetfelder am Ort der BME-e einander entgegengerichtet sind, und die ferner entweder mit einer gemeinsamen oder mit je einer eigenen Sensorwicklung gekoppelt sind, und daß die beiden BME-e so angeordnet sind, daß ihre hartmagnetischen Bereiche gleichgerichtet magnetisiert sind.

14. Gleichstrom-Grenzwertgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß zwei BME-e vorgesehen sind, die beide mit der Meßwicklung gekoppelt sind, und die weiterhin einzeln mit je einer weiteren zum Einspeisen von pulsierenden Gleichströmen bestimmten und sowohl als Vergleichs- wie als Rückstellwicklung dienenden Wicklung, welche derart gepolt sind, daß die durch sie erzeugten Magnetfelder am Ort der BME-e einander entgegengerichtet sind, sowie entweder mit einer gemeinsamen oder mit je einer eigenen Sensorwicklung gekoppelt sind, und daß die beiden BME-e so angeordnet sind, daß ihre hartmagnetischen Bereiche gleichgerichtet magnetisiert sind.

15. Gleichstrom-Grenzwertgeber nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die in die als Vergleichs- und zugleich als Rückstellwicklungen dienenden beiden Wicklungen eingespeisten pulsierenden Gleichströme unterschiedliche Frequenz besitzen.

16, Gleichstrom-Grenzwertgeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Wicklungen (2-5, 7-10) die zugeordneten BME-e (t, V) umgeben.

17, Gleichstrom-Grenzwertgeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die BME-e (I, t') Wiegand-Drähte sind,

18, Gleichstrom-Grenzwertgeber nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorwicklungen (5, 9, 10) einerseits und die eine Wechselstromkomponente führenden Rückstellwicklungen (2, 7,8) andererseits mit einem Phasendetektor verbunden sind.