DE3039679A1

DE3039679A1 - MEASURING CONVERTER FOR POTENTIAL-FREE MEASUREMENT OF A CURRENT

Info

Publication number: DE3039679A1
Application number: DE19803039679
Authority: DE
Inventors: Hans Jakob Dipl.-El.-Ing. Bosshard (ETH), Zürich; Hans-Konrad Cham Schürmann
Original assignee: Landis and Gyr AG; LGZ Landis and Gyr Zug AG
Current assignee: Siemens Building Technologies AG; Landis and Gyr AG
Priority date: 1980-09-26
Filing date: 1980-10-21
Publication date: 1982-04-08
Also published as: CH649386A5; DE3039679C2

Abstract

A measurement current (Im) flowing in a measurement conductor (1) and an auxiliary current (Ih) flowing in an auxiliary current coil (4) are compared by means of a magnetic-field comparator. A surface-acoustic wave oscillator (6) with a magnetostrictive layer (10) is used as magnetic-field comparator. A frequency discriminator (13) is connected between the output of the oscillator (6) and the input of an evaluating circuit (12). The evaluating circuit (12) generates an analogue or time-coded image of the measurement current (Im). <IMAGE>

Description

Messwandler zum potentiolfreien messen eines StromesMeasuring transducer for potential-free measurement of a current

Messwandler zum potentialfreien Messen eines Stromes Es ist ein Messwandter der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bekannt (DE-PS 27 34 729), bei dem als Magnetfeldkomparator ein Magnetfilm dient, der annähernd im Nulldurchgang des durch den Messstrom und den Hilfsstrom erzeugten Magnetfeldes ummagnetisiert wird, wodurch in einer Induktionswicklung ein den Nulldurchgang markierender Spannungsimpuls induziert wird. Ferner ist es bekannt (DE-PS 28 25 397), als Magnetfeld komparator einen magnetoresistiven Magnetfilm zu verwenden und die im NuLldurchgang des MagnetfeLdes auftretende Widerstandsänderung zu detektieren.Measuring transducer for potential-free measurement of a current It is a measuring transducer of the type mentioned in the preamble of claim 1 known (DE-PS 27 34 729), at A magnetic film serves as a magnetic field comparator, which is approximately at the zero crossing of the magnetic field generated by the measuring current and the auxiliary current is, whereby a voltage pulse marking the zero crossing in an induction winding is induced. It is also known (DE-PS 28 25 397) as a magnetic field comparator to use a magnetoresistive magnetic film and the instantaneous passage of the magnetic field to detect any change in resistance.

Schliesslich ist ein Messwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bekannt (CH-PS 593 493), bei dem als Magnetfeldkomparator eine Hallsonde vorgesehen ist. Beim Betrieb dieses Messwandlers wird der Strom in der Hitfsstromspute so lange verändert, bis bei GLeichheit des durch den Messstrom erzeugten und des entgegengerichteten, durch den Hilfsstrom erzeugten MagnetfeLdes die von der Hallsonde abgegebene HaLlspannung verschwindet.Finally, a transducer is the one in the preamble of the claim 1 mentioned type known (CH-PS 593 493), in which a Hall probe as a magnetic field comparator is provided. When operating this transducer, the current is in the Hitfsstromspute Changed until the equality of the generated by the measuring current and the opposing magnetic fields generated by the auxiliary current are generated by the Hall probe released holding voltage disappears.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung Liegt die Aufgabe zugrunde, die Technik auf dem Fachgebiet der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Messwandlergattung durch eine weitere vorteilhafte Lösung zu bereichern.The invention specified in claim 1 is based on the object the technology in the field of the transducer type specified in the preamble of claim 1 to enrich with another advantageous solution.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 definiert.Advantageous developments of the invention are in the claims 2 to 6 defined.

Akustische Oberf Lächenwel Lenoszillatoren mit einer magnetostriktiven Schicht, wie sie hier gemäss Anspruch 2 als Magnetfeldkomparator vorgeschlagen werden, sind zwar an und für sich bekannt (US-PS 4 078 186), waren allerdings bisher zu einem ganz anderen Zweck vorgesehen, nämLich zur Erzeugung einer sehr hohen veränderbaren Frequenz.Acoustic Oberf Lächenwel Lenoscillators with a magnetostrictive Layer as proposed here as a magnetic field comparator according to claim 2, are known per se (US Pat. No. 4,078,186), but were previously closed intended for a completely different purpose, namely to produce a very high variable Frequency.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.Some exemplary embodiments of the invention are illustrated below the drawing explained in more detail.

Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Messwand Lers, Fig. 2 bis 4 Diagramme und Fig. 5 ein Detail einer Variante des Messwandlers nach der Fig. 1.The figures show: FIG. 1 a basic illustration of a measuring wall Lers, FIG. 2 to 4 diagrams and FIG. 5 shows a detail of a variant of the measuring transducer according to FIG Fig. 1.

In der Fig. 1 bedeutet 1 einen Messleiter, der einen Messstrom I m führt und als Messstromspule 2 um einen Magnetkern 3 gewickelt ist. Dieser Magnetkern 3 trägt auch eine Hilfsstromspule 4, in welcher ein Hilfsstrom Ih fliesst. In einem Luftspalt 5 des Magnetkerns 3 entsteht ein resultierendes Magnetfeld H, das der Differenz der beiden durch den Messtrom Im und den Hilfsstrom Ih erzeugten Magnetfelder entspricht. Dem resultierenden Magnetfeld H ist ein als Oberflächenwellen-Oszillator 6 mit magnetfeldabhäng i ger Schwingfrequenz ausgeb i ldeter Magnetfeldkomparator ausgesetzt.In FIG. 1, 1 denotes a measuring conductor which has a measuring current I m and is wound around a magnetic core 3 as a measuring current coil 2. This magnetic core 3 also carries an auxiliary current coil 4 in which an auxiliary current Ih flows. In one Air gap 5 of the magnetic core 3 creates a resulting magnetic field H, which is the Difference between the two magnetic fields generated by the measuring current Im and the auxiliary current Ih is equivalent to. The resulting magnetic field H is a surface wave oscillator 6 magnetic field comparator designed with a magnetic field-dependent oscillation frequency exposed.

Der Magnetkern 3 und die Messstromspule 2 sind nicht unbedingt erforderlich; es ist lediglich dafür zu sorgen, dass der magnetfeldempfindliche Teil des Oszillators 6 in einer Zone angeordnet ist, in der sowohl der Messstrom Im als auch der Hilfsstrom Ih ein homogenes Magnetfeld erzeugen.The magnetic core 3 and the measuring current coil 2 are not absolutely necessary; it is only necessary to ensure that the magnetic field sensitive part of the oscillator 6 is arranged in a zone in which both the measuring current Im and the auxiliary current Ih generate a homogeneous magnetic field.

Der Oszillator 6 besteht im dargestellten Beispiel aus einem vorzugsweise piezoelektrischen Substrat 7, auf dessen einen Fläche zwei interdigitale Uebertrager 8, 9 und eine magnetostriktive Schicht 10 angeordnet sind, sowie aus einem Verstärker 11. Das Substrat 7 mit der magnetostriktiven Schicht 10 bildet eine akustische Obverflächenwellenverzögerungstei@ung. Diese kann z B. auch aus einem dreischichtigen Aufbau bestehen, etwa aus einer G.G.G.-Schicht (Gallium-Gadolinium-Garnet), einer Y.I.G.-Schicht (Yttrium-Iron-Garnet) und einer ZnO-Schicht, wobei die Uebertrager 8, 9 auf der einen und die Y.I.G.-Schicht und die G.G.G.-Schicht auf der anderen FLäche der ZnO-Schicht angeordnet sind. Die typische Dicke der Schichten beträgt einige Mikron und die Längenabmessung einige MiLLimeter.In the example shown, the oscillator 6 preferably consists of one piezoelectric substrate 7, on one surface of which there are two interdigital transmitters 8, 9 and a magnetostrictive layer 10 are arranged, as well as from an amplifier 11. The substrate 7 with the magnetostrictive layer 10 forms an acoustic surface wave delay pitch. This can, for example, also consist of a three-layer structure, such as a G.G.G.-layer (Gallium-Gadolinium-Garnet), a Y.I.G.-layer (Yttrium-Iron-Garnet) and one ZnO layer, with the transmitters 8, 9 on one side and the Y.I.G. layer and the G.G.G. layer are arranged on the other surface of the ZnO layer. The typical The thickness of the layers is a few microns and the length dimension is a few millimeters.

Der Verstärker 11 ist über den Uebertrager 8, die OberfLächenwellenverzögerungsleitung 7, 10 und den Uebertrager 9 rückgekoppelt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 11 wird durch den Uebertrager 8 in akustische Oberflächenwellen umgesetzt. Diese erreichen nach einer Verzögerungszeit T den Uebertrager 9 und werden dort in ein elektrisches Signal umgewandelt, das zum Eingang des Verstärkers 11 gelangt. Die Phasenbedingung führt auf folgende mögliche Schwingfrequenzen f des OszilLators 7: n n n T ; n = 1, 2 , 3 . . . The amplifier 11 is via the transmitter 8, the surface wave delay line 7, 10 and the transmitter 9 are fed back. The output of the amplifier 11 is converted into surface acoustic waves by the transmitter 8. Achieve this after a delay time T the transmitter 9 and are there in an electrical Converted signal that arrives at the input of the amplifier 11. The phase condition leads to the following possible oscillation frequencies f of the oscillator 7: n n n T; n = 1, 2, 3. . .

Durch geeignete Ausgestaltung der Uebertrager 8, 9 ist in bekannter Weise dafür gesorgt, dass eine einzige Schwingfrequenz f in der Grössenordnung von z.B. 200 MHz auftritt. Die magnetostriktive Schicht 10 verändert in Abhängigkeit vom resultierenden Magnetfeld H die Verzögerungszeit T und damit die Schwingfrequenz f des Oszillators 6. Die Fig. 2 zeigt ein typisches BeispieL für die Frequenzvariation in Abhängigkeit vom Magnetfeld H. By suitable design of the transmitter 8, 9 is known in Way ensured that a single oscillation frequency f of the order of magnitude of e.g. 200 MHz occurs. The magnetostrictive layer 10 changes depending from the resulting magnetic field H the delay time T and thus the oscillation frequency f of the oscillator 6. FIG. 2 shows a typical example for the frequency variation depending on the magnetic field H.

Zwischen den Ausgang des Oszillators 11 und den Eingang einer elektronischen Auswerteschaltung 12 ist ein Frequenzdiskriminator 13 geschaltet. Im Beispiel der Fig. 1 besteht die Auswerteschaltung 12 aus einem Begrenzer 14, einem Nullschwellenschalter 15 und gegebenenfalls aus einer Logikschaltung 16. Eine Stromquelle 17 Liefert den Hilfsstrom Ih, der einen alternierenden, z.B. dreieckförmigen Kurvenverlauf aufweist. Der dem Frequenzdiskriminator 13 und dem Begrenzer 14 nachgeschaLtete NuttschweL-lenschalter 15 kann ausgangsseitig mit einem ersten und die Stromquelle 17 mit einem zweiten Eingang der Logikschaltung 16 verbunden sein, deren Ausgang mit 18 bezeichnet ist.Between the output of the oscillator 11 and the input of an electronic Evaluation circuit 12, a frequency discriminator 13 is connected. In the example of the 1, the evaluation circuit 12 consists of a limiter 14, a zero threshold switch 15 and optionally from a logic circuit 16. A current source 17 supplies the Auxiliary current Ih, which has an alternating, e.g. triangular shape. The nutshell switch connected downstream of the frequency discriminator 13 and the limiter 14 15 can on the output side with a first and the current source 17 with a second Be connected to the input of the logic circuit 16, the output of which is denoted by 18.

Der beschriebene Messwandler arbeitet wie folgt: Wenn kein äusseres Magnetfeld den Oszillator 6 beeinflusst, erzeugt dieser Schwingungen mit der Mittenfrequenz fo (Fig. 2).The transducer described works as follows: If not an external one Magnetic field influences the oscillator 6, this generates oscillations with the center frequency fo (Fig. 2).

Das resuLtierende Magnetfeld H bewirkt eine Verschiebung der Schwingfrequenz f um die Frequenzabweichung # (Fig. 3), und der Frequenzdiskriminator 13 liefert eine zur Frequenzabweichung #f proportionale Ausgangsspannung Ud Diese wird im Begrenzer 14 auf einen Maximalwert Ue begrenzt. Am ausgang des Nullschwellenschalters 15 entsteht, wie aus der Fig 4 ersichtLich ist, eine Spannung Us, die den Logischen Wert "0" oder "1" annimmt, je nachdem, ob das vom Messstrom 1 erzeugte Magnet m feld Hm grösser oder kleiner als das vom Hüfsstrom Ih erzeugte Magnetfeld H h und somit die Frequenzabweichung #f #f grösser oder Kleiner als null ist. Die Spannung Us markiert die Nulldurchgänge des MagnetfeLdes H und stellt ein zeitverschlüsseltes Abbild des Messstromes I dar.The resulting magnetic field H causes a shift in the oscillation frequency f by the frequency deviation # (FIG. 3), and the frequency discriminator 13 delivers an output voltage Ud proportional to the frequency deviation #f. This is set in the limiter 14 limited to a maximum value Ue. At the output of the zero threshold switch 15, As can be seen from FIG. 4, a voltage Us which has the logical value "0" or "1", depending on whether the magnet m field Hm generated by the measuring current 1 is greater or smaller than the magnetic field H h generated by the auxiliary current Ih and thus the frequency deviation #f #f is greater or less than zero. The voltage Us marks the zero crossings of the magnetic field H and represents a time-coded image of the measuring current I.

m Je nach dem Kurvenverlauf der Schwingfrequenz; in Abhängigkeit vom Magnetfeld H kann es erforderlich sein, den Oszillator 6 einem konstanten Vorspannfeld Ho solcher Slärke auszusetzen, dass der Arbeitspunkt f01 (Fig. 2i des oszillators 6 in einem annähernd Linearen Bereich eines kurvenastes der Frequenz-Magnetfeld-Kurve Liegt, wenn sich die vom @ Messstrom d m und vom Hillsstrom Ih erzeugten Magnetfelder gegenseitig aufheben. m Depending on the curve of the oscillation frequency; dependent on from the magnetic field H it may be necessary to give the oscillator 6 a constant bias field Ho to suspend such a magnitude that the operating point f01 (Fig. 2i of the oscillator 6 in an approximately linear area of a curve branch of the frequency-magnetic field curve Is when the magnetic fields generated by the @ measuring current d m and the Hills current Ih cancel each other out.

Das Vorspannield Ho, das die Mittenfrequenz fo in den Arbeitspunkt fo' verschiebt, kann z.B. mittels eines Permanentmagneten oder eines dem Hilfsstrom 1h überlagerten Gleichstromes erzeugt werden. Im Beispiel nach der Fig. 2 befindet sich der Arbeitspunkt fo' auf einem abfallenden Kurvenast 19, der dem Ursprung des Diagramms näher Liegt als ein zweiter, bei höherer Magnetfeldstärke wieder ansteigender Kurvenast 20.The bias field Ho, which the center frequency fo in the working point fo 'can be shifted e.g. by means of a permanent magnet or an auxiliary current 1h superimposed direct current can be generated. In the example according to FIG. 2 is located the working point fo 'is on a sloping curve branch 19, which is the origin of the Is closer to the diagram than a second one, which increases again with a higher magnetic field strength Curve branch 20.

Der zulässige Dynamikbereich des Messstromes I ist vorerst m dadurch begrenzt, dass der Kurvenast 20 einen zweiten Nulidurchgang der Frequenzabweichung elf und damit eine Fehlinformation liefert. Wird eine grössere Dynamik angestrebt, so ist die in der Fig. 1 gestrichelt dargestellte Logikschaltung 16 erforderlich, die eine logische Auswertung des Signalverlaufs der Spannung U und des Hilfsstromes 1h durchführt. Mit Hilfe dee Kenntnis 5 des Signalverlaufs des Hilfsstromes Ih, der durch die FLanken der Spannung U markierten Zeitpunkte der Nulldurchgänge der 5 Frequenzabweichung Af und der durch den logischen Wert der Spannung U dargestellten Vorzeichen der Frequenzabweichung hf 5 können die Nulidurchgänge auf dem Kurvenast 20, die eine Fehlinformation bilden, eliminiert werden.The permissible dynamic range of the measuring current I is initially m limits that the curve branch 20 a second zero passage the Frequency deviation eleven and thus provides incorrect information. Will be a bigger one If dynamics are sought, then the logic circuit shown in dashed lines in FIG. 1 is 16 required, which a logical evaluation of the signal curve of the voltage U and the auxiliary current 1h. With the help of knowledge 5 of the signal curve of the auxiliary current Ih, the points in time marked by the flanks of the voltage U the zero crossings of the 5 frequency deviation Af and the one through the logical value the sign of the frequency deviation hf 5 represented by the voltage U can be the zero crossings on the curve branch 20, which form a misinformation, can be eliminated.

Trotz des nicht genau Linearen Verlaufs des Kurven astes 19 verhält sich das durch die Spannung U bzw. das Ausgangssignal 5 der Logikschaltung 16 gegebene zeitverschlüsselte Abbild des Messstromes 1 zu diesem streng proportional, so dass mit der m beschriebenen Anordnung ein Linearer Messstromwand ler realisiert werden kann. Das gleiche Ergebnis kann nicht nur mit einem deterministischen, sondern auch mit einem stochastischen Kurvenverlauf des Hilfsstromes 1h erzielt werden, wenn die Ausgangsspannung U des NuLlschwel lenschalters 15 bzw. das Ausgangs-5 signal der Logikschaltung 16 statistisch ausgewertet wird.Despite the not exactly linear course of the curve branch 19 behaves that given by the voltage U or the output signal 5 of the logic circuit 16 time-coded image of the measuring current 1 is strictly proportional to this, so that a linear measuring current transformer can be realized with the arrangement described m can. The same result can not only be achieved with a deterministic, but also can be achieved with a stochastic curve of the auxiliary current 1h if the output voltage U of the NuLlschwel lenschalters 15 or the output 5 signal the logic circuit 16 is statistically evaluated.

Gemäss der Fig. 5 kann in der Schaltungsanordnung nach der Fig. 1 als elektronische Auswerteschaltung ein Regler 21 eingesetzt werden, der an die Stelle der Teile 15 bis 17 tritt, wobei der Eingang des Reglers 21 an den Begrenzer 14 bzw. den Frequenzdiskriminator 13 und der Ausgang des Reglers 21 an die Hilfsstromspule 4 angeschlossen wird. Mit Hilfe des Reglers 21 stellt sich der Hilfsstrom Ih so ein, dass das resultierende Magnetfeld H und die Ausgangsspannung Ud des Frequenzdiskriminators 13 praktisch verschwinden. Der Hilfsstrom Ih stellt dann ein analoges Abbild des Messstromes dar.According to FIG. 5, in the circuit arrangement according to FIG a controller 21 can be used as an electronic evaluation circuit, which is connected to the Place of parts 15 to 17 occurs, the input of the controller 21 to the limiter 14 or the frequency discriminator 13 and the output of the controller 21 to the auxiliary current coil 4 is connected. With the help of the regulator 21, the auxiliary current Ih is set in this way that the resulting magnetic field H and the output voltage Ud of the frequency discriminator 13 practically disappear. The auxiliary current Ih then represents an analog image of the Measuring current.

Der beschriebene Messwandler eignet sich vorzüglich als Eingangswandler in einem statischen Elektrizitätszähler, da die Ober- flächenwellenverzögerungsleitung 7, 10 des Oszillators 6, die interdigitalen Uebertrager 8, 9 und selbstverständlich auch der Frequenzdiskriminator 13 und die Auswerteschaltung 12 bzw.The transducer described is ideally suited as an input transducer in a static electricity meter, since the upper surface wave delay line 7, 10 of the oscillator 6, the interdigital transmitters 8, 9 and of course also the frequency discriminator 13 and the evaluation circuit 12 or

der Regler 21 in integrierter Schaltungstechnik als kostengünstige Massenartikel herstellbar sind. Da der Frequenzdiskriminator 13 nicht nur den Zeitpunkt des Nulldurchgangs, sondern auch das Vorzeichen des resultierenden Magnetfeldes H liefert, sind zahlreiche Ausführungsvarianten des beschriebenen Messwandlers möglich. the controller 21 in integrated circuit technology as inexpensive Mass-produced articles are producible. Since the frequency discriminator 13 not only the time of the zero crossing, but also the sign of the resulting magnetic field H, numerous design variants of the transducer described are possible.

Claims

PATENT CLAIMS 1. Measuring transducer for potential-free measurement of a measuring current, a measuring conductor carrying the measuring current, with an auxiliary current coil carrying an auxiliary current, with a magnetic field comparator, that of the measuring current as well as the vc, m auxiliary current generated magnetic field is exposed and compares them with each other, and with a Electronic evaluation circuit connected to the Magnetfetdkomparator for Generation of an analog or time-encrypted image of the measurement stream, thereby characterized in that the magnetic field comparator is an oscillator (6) with a magnetic field dependent Oscillation frequency (f) and that a frequency discriminator (13) between the output of the oscillator (6) and the input of the evaluation circuit (12; 21) is switched.

2. Measuring transducer according to claim 1, characterized in that the oscillator (6) a surface acoustic wave oscillator with at least one magnetostrictive Layer (10) is.

3. A transducer according to claim 2, labeled by means for generating a constant magnetic bias field (H0) of such strength that the working point (fO ') of the oscillator (6) in an approximately linear region of a curve branch (19) of the frequency-magnetic field curve of the oscillator (6) is when the from The measuring current (Im) and the magnetic fields generated by the auxiliary current (In) cancel each other out.

4. Measuring transducer according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the auxiliary current coil (4) is connected to a power source (17) that the Auxiliary current (Ih) has a deterministic or stochastic curve and that the frequency discriminator (13) is followed by a slotted switch (15) is.

5. Measuring transducer according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the auxiliary current poles (4) to the output a controller (21) connected is, whose input is connected downstream of the frequency discriminator (13).

6. Use of the transducer according to one of claims 1 to 5 as Input transducer in a static electricity meter.