DE3039679C2 - Measuring transducer for potential-free measurement of a current - Google Patents
Measuring transducer for potential-free measurement of a currentInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßwandler zum potentialfreien Messen eines Meßstromes der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Gattung sowie auf eine Verwendung desselben.The invention relates to a transducer for potential-free measurement of a measuring current of the im The generic term of claim 1 as well as a use of the same.
Ein solcher Meßwandler ist bereits bekannt (DE-AS 34 499). Er arbeitet mit einem alternierenden, vorzugsweise dreieckförmig verlaufenden Vormagnetisierungsstrom und weist zum Erzeugen einer Ausgangsimpulsspannung, denn Impulsdauer dem Meßstrom proportional ist, einen Differenzierer und einen diesem nachgeschalteten Schwellenschalter auf.Such a transducer is already known (DE-AS 34 499). He works with an alternating, preferably triangular bias current and has to generate an output pulse voltage, because the pulse duration is proportional to the measuring current, a differentiator and a differentiator downstream threshold switch.
Ferner ist ein Meßwandler bekannt (DE-PS 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 Magnetfeldkomparator einen magnetoresistiven Magnetfilm zu verwenden und die im Nulldurchgang des Magnetfeldes auftretende Widerstandsänderung zu detektieren. Schließlich ist ein Meßwandler bekannt (CH-PS 5 93 493), bei dem als Magnetfeldkomparator eine Hallsonde vorgesehen ist. Beim Betrieb dieses Meßwandlers wird der Strom in der Hilfsstromspule so lange verändert, bis bei Gleichheit des durch den Meßstrom ίο erzeugten und des entgegengerichteten, durch den Hilfsstrom erzeugten Magnetfeldes die von der Hallsonde abgegebene Hallspannung verschwindet.Furthermore, a transducer is known (DE-PS 34 729), in which a magnetic field comparator Magnetic film is used, the approximately zero crossing of the generated by the measuring current and the auxiliary current Magnetized magnetic field is reversed, whereby in an induction winding a marking the zero crossing Voltage pulse is induced. It is also known (DE-PS 28 25 397) as a magnetic field comparator to use a magnetoresistive magnetic film and that occurring in the zero crossing of the magnetic field To detect resistance change. Finally, a transducer is known (CH-PS 5 93 493), in which a Hall probe is provided as a magnetic field comparator. When operating this transducer the current in the auxiliary current coil is changed until the measured current is equal ίο generated and the opposite, by the Auxiliary current generated magnetic field the Hall voltage emitted by the Hall probe disappears.
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Technik auf dem Fachgebiet der is 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 of the technology in the field of is specified in the preamble of claim 1 transducer type by a further advantageous solution to enrich.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 definiert.Advantageous further developments of the invention are defined in claims 2 to 5.
:o Akustische Oberflächenwellenoszillatoren mit einer magnetostriktiven Schicht, wie sie hier als Magnetfeldkomparator vorgeschlagen werden, sind zwar an und für sich bekannt (US-PS 40 78 186), waren allerdings bisher zu einem ganz anderen Zweck vorgesehen, nämlich zur Erzeugung einer sehr hohen veränderbaren Frequenz.: o Surface acoustic wave oscillators with a Magnetostrictive layer, as proposed here as a magnetic field comparator, are on and known per se (US-PS 40 78 186), but were previously intended for a completely different purpose, namely to generate a very high variable frequency.
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindeng anhand der Zeichnung näher erläutert.Some exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing.
Es zeigtIt shows
.«ι F i g. 1 eine Prinzipdarstellung eines Meßwandlers, F i g. 2 bis 4 Diagramme und. «Ι F i g. 1 shows a schematic diagram of a transducer, F i g. 2 to 4 diagrams and
Fig. 5 ein Detail einer Variante des Meßwandlers nach der Fig. 1.5 shows a detail of a variant of the transducer according to FIG. 1.
In der Fig. 1 bedeutet 1 einen Meßleiter, der einen ,"> Meßstrom /m führt und als Meßstromspule 2 um einen Magnetkern 3 gewickelt ist. Dieser Magnetkern 3 trägt auch eine Hilfsstromspule 4, in welcher ein Hilfsstrom //, fließt. In einem Luftspalt 5 des Magnetkerns 3 entsteht ein resultierendes Magnetfeld W, das der Differenz der ■in beiden durch den Meßstrom In, und den Hilfsstrom Λ, erzeugten Magnetfelder entspricht. Dem resultierenden Magnetfeld Wist ein als Oberflächenwellen-Oszillator 6 mit magnetfeldabhängiger Schwingfrequenz ausgebildeter Magnetfeldkomparator ausgesetzt. •π 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 In, als auch der Hilfsstrom //, ein jo homogenes Magnetfeld erzeugen.In FIG. 1, 1 denotes a measuring conductor which carries a measuring current / m and is wound as a measuring current coil 2 around a magnetic core 3. This magnetic core 3 also carries an auxiliary current coil 4 in which an auxiliary current // flows Air gap 5 of the magnetic core 3 creates a resulting magnetic field W which corresponds to the difference between the magnetic fields generated in both by the measuring current I n and the auxiliary current Λ. • π 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 I n and the auxiliary current //, a jo generate a homogeneous magnetic field.
Der Oszillator 6 besteht im dargestellten Beispiel ausIn the example shown, the oscillator 6 consists of
einem vorzugsweise piezoelektrischen Substrat 7, auf dessen einen Fläche zwei interdigitale Übertrager 8, 9 und eine magnetostriktive Schicht 10 angeordnet sind,a preferably piezoelectric substrate 7, on one surface of which two interdigital transducers 8, 9 and a magnetostrictive layer 10 are arranged,
')'> sowie aus einem Verstärker 11. Das Substrat 7 mit der magnetostriktiven Schicht 10 bildet eine akustische Oberflächenwelienverzögerungsleitung. Diese kann')'> and from an amplifier 11. The substrate 7 with the magnetostrictive layer 10 forms a surface acoustic wave delay line. This can
z. B. auch aus einem dreischichtigen Aufbau bestehen, etwa aus einer G.G.G.-Schicht (Gallium-Gadolinium-z. B. also consist of a three-layer structure, such as a G.G.G.-layer (gallium-gadolinium-
bo Garnet), einer Y.I.G.-Schicht (Yttrium-lron-Garnet) undbo Garnet), a Y.I.G.-layer (Yttrium-Iron-Garnet) and
einer ZnO-Schicht, wobei die Übertrager 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.a ZnO layer, with the transducers 8, 9 on one side and the Y.I.G. layer and the G.G.G. layer on the other surface of the ZnO layer are arranged.
Die typische Dicke der Schichten beträgt einige MikronThe typical thickness of the layers is a few microns
h' und die Längenabmessung einige Millimeter. h 'and the length dimension a few millimeters.
Der Verstärker 11 ist über den Übertrager 8. die Oberflächenwellenverzögerungsleitung 7, 10 und den Übertrager 9 rückgekoppelt. Das Ausgangssignal desThe amplifier 11 is via the transmitter 8, the surface wave delay line 7, 10 and the Transformer 9 fed back. The output signal of the
Verstärkers 11 wird durch den Übertrager 8 in akustische Oberflächenwellen umgesetzt. Diese erreichen nach einer Verzögerungszeit r den Übertrager 9 und werden dort in ein elektrisches Signal umgewandelt, das zum Eingang des Verstärkers 11 ^alangt. Die Phasenbedingung führt auf folgende möf liehe Schwingfrequenzen /„des Oszillators 7:Amplifier 11 is through the transformer 8 in surface acoustic waves implemented. These reach the transformer 9 after a delay time r and are converted into an electrical signal there, that goes to the input of the amplifier 11 ^. the Phase condition leads to the following possible oscillation frequencies / "Of the oscillator 7:
JnJn
η = 1,2, J... η = 1.2, J ...
Durch geeignete Ausgestaltung der Übertrager 8, 9 ist in bekannter Weise dafür gesorgt, daß eine einzige Schwingfrequenz / in der Größenordnung von z. B. 200MHz auftritt. Die magnetostriktive Schicht 10 verändert in Abhängigkeit vom resultierenden Magnetfeld H die Verzögerungszeit τ und damit die Schwingfrequenz /des Oszillators 6. Die F i g. 2 zeigt ein typisches Beispiel für die Frequenzvariatio;. in Abhängigkeii vom Magnetfeld H. By suitable design of the transmitter 8, 9 is ensured in a known manner that a single oscillation frequency / in the order of magnitude of z. B. 200MHz occurs. The magnetostrictive layer 10 changes the delay time τ and thus the oscillation frequency / of the oscillator 6 as a function of the resulting magnetic field H. Fig. 2 shows a typical example of the frequency variation; depending on the magnetic field H.
Zwischen den Ausgang des Oszillators U 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 Nullschwellenschalter 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.A frequency discriminator 13 is connected between the output of the oscillator U and the input of an electronic evaluation circuit 12. In the example of FIG. 1, the evaluation circuit 12 consists of a limiter 14, a zero threshold switch 15 and optionally a logic circuit 16. A current source 17 supplies the auxiliary current Ih, which is an alternating, e.g. B. has triangular curve shape. The zero threshold switch 15 connected downstream of the frequency discriminator 13 and the limiter 14 can be connected on the output side to a first and the current source 17 to a second input of the logic circuit 16, the output of which is denoted by 18.
Der beschriebene Meßwandler arbeitet wie folgt:The transducer described works as follows:
Wenn kein äußeres Magnetfeld den Oszillator 6 beeinflußt, erzeugt dieser Schwingungen mit der Mittenfrequenz f0 (Fig.2). Das resultierende Magnetfeld H bewirkt eine Verschiebung der Schwingfrequenz /um die Frequenzabweichung Af (F ig. 3), und der Frequenzdiskriminator 13 liefert eine zur Frequenzabweichung Af proportionale Ausgangsspannung Ud. Diese wird im Begrenzer 14 auf einen Maximalwert Uc 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 lm erzeugte Magnetfeld Hm größer oder kleiner als das vom Hilfsstrom h erzeugte Magnetfeld Hh und somit die Frequenzabweichung 4/größer oder kleiner als null ist. Die Spannung U5 markiert die Nulldurchgänge des Magnetfeldes Wund stellt ein zeitverschlüsseltes Abbild des Meßstromes /mdar.If no external magnetic field affects the oscillator 6, it generates oscillations with the center frequency f 0 (FIG. 2). The resulting magnetic field H causes the oscillation frequency / to be shifted by the frequency deviation Af (FIG. 3), and the frequency discriminator 13 supplies an output voltage Ud proportional to the frequency deviation Af. This is limited in the limiter 14 to a maximum value U c. As can be seen from FIG. 4, a voltage U s arises at the output of the zero threshold switch 15, which assumes the logical value "0" or "1", depending on whether the magnetic field H m generated by the measuring current l m is greater or less than the magnetic field Hh generated by the auxiliary current h and thus the frequency deviation 4 / is greater or less than zero. The voltage U 5 marks the zero crossings of the magnetic field and represents a time-coded image of the measuring current / m .
Je nach dem Kurvenverlauf der Schwingfrequenz /in Abhängigkeit vom Magnetfeld H kann es erforderlich sein, den Oszillator 6 einem konstanten Vorspannfeld //„solcher Stärke auszusetzen, daß der Arbeitspunkt /„' (Fig. 2) des Oszillators 6 in einem annähernd linearen Bereich eines Kurvenastes der Frequenz-Magnetfeld-Kurve liegt, wenn sich die vom Meßstrom /m und vom Hilfsstrom //, erzeugten Magnetfelder gegenseitigDepending on the curve of the oscillation frequency / as a function of the magnetic field H , it may be necessary to expose the oscillator 6 to a constant bias field // "of such strength that the operating point /"'(FIG. 2) of the oscillator 6 is in an approximately linear range of a The branch of the curve of the frequency-magnetic field curve is when the magnetic fields generated by the measuring current / m and the auxiliary current // are mutually exclusive
5 ü5 ü
aufheben.lift.
Das Vorspannfeld H0, das die Mittenfrequenz fo in den Arbeitspunkt /o' verschiebt, kann z. B. mittels eines Permanentmagneten oder eines dem Hilfsstrom //, überlagerten Gleichstromes erzeugt werden. Im Beispiel nach der F i g. 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 K'irvenast 20.The preload field H 0 , which shifts the center frequency f o into the operating point / o ', can e.g. B. by means of a permanent magnet or the auxiliary current //, superimposed direct current. In the example according to FIG. 2, the operating point fo is located on a sloping curve branch 19, which is closer to the origin of the diagram than a second K'irven branch 20 that rises again with a higher magnetic field strength.
Der zulässige Dynamikbereich des Meßstromes lm ist vorerst dadurch begrenzt, daß der Kurvenast 20 einen zweiten Nulldurchgang der Frequenzabweichung Af 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 LZ5 und des Hilfsstromes h durchführt. Mit Hilfe der Kenntnis des Signalverlaufs des Hilfsstromes Ih, der durch die Flanken der Spannung Us markierten Zeitpunkte der Nulldurchgänge der Frequenzabweichung Af und der durch den logischen Wert der Spannung Us dargestellten Vorzeichen der Frequenzabweichung Af können die Nulldurchgänge auf dem Kurvenast 20, die eine Fehlinformation bilden, eliminiert werden.The permissible dynamic range of the measuring current l m is initially limited by the fact that the branch 20 of the curve provides a second zero crossing of the frequency deviation Af and thus incorrect information Evaluation of the signal curve of the voltage LZ 5 and the auxiliary current h is carried out. With the help of the knowledge of the signal course of the auxiliary current Ih, the points in time of the zero crossings of the frequency deviation Af marked by the edges of the voltage U s and the sign of the frequency deviation Af represented by the logical value of the voltage U s , the zero crossings on the branch 20 of the curve, the one Form misinformation, be eliminated.
Trotz des nicht linearen Verlaufs des Kurvenastes 19 verhält sich das durch die Spannung U5 bzw. das Ausgangssignal der Logikschaltung 16 gegebene zeitverschlüsselte Abbild des Meßstromes In, zu diesem streng proportional, so daß mit der beschriebenen Anordnung ein linearer Meßstromwandler realisiert werden kann. Das gleiche Ergebnis kann nicht nur mit einem deterministischen, sondern auch mit einem stochastischen Kurvenverlauf des Hilfsstromes //,erzielt werden, wenn die Ausgangsspannung LJ5 des NuII-schwe'.lenschalters 15 bzw. das Ausgangssignal der Logikschaltung 16 statistisch ausgewertet wird.Despite the non-linear course of the branch 19 of the curve, the time-coded image of the measuring current I n given by the voltage U 5 or the output signal of the logic circuit 16 is strictly proportional to this, so that a linear measuring current transformer can be realized with the arrangement described. The same result can be achieved not only with a deterministic, but also with a stochastic curve shape of the auxiliary current // if the output voltage LJ 5 of the NuII-Schwe'.lenschalters 15 or the output signal of the logic circuit 16 is statistically evaluated.
Gemäß der F i g. 5 kann in der Schaltungsanordnung nach der F i g. 1 als elektronische Auswerteschaliung 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 lh stellt dann ein analoges Abbild des Meßstromes dar.According to FIG. 5 can in the circuit arrangement according to FIG. 1, a controller 21 can be used as an electronic evaluation circuit, which takes the place of parts 15 to 17, the input of the controller 21 being connected to the limiter 14 or the frequency discriminator 13 and the output of the controller 21 to the auxiliary current coil 4. With the aid of the regulator 21, the auxiliary current Ih is set in such a way that the resulting magnetic field H and the output voltage Ud of the frequency discriminator 13 practically disappear. The auxiliary current lh then represents an analog image of the measuring current.
Der beschriebene Meßwandler eignet sich vorzüglich als Eingangswandler in einem statischen Elektrizitätszähler, da die Oberflächenwellenverzögerungsleitung 7, 10 des Oszillators 6, die interdigitalen Übertrager 8, 9 und selbstverständlich auch der Frequenzdiskriminator 13 und die Auswerteschaltung 12 bzw. 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 transducer described is particularly suitable as an input transducer in a static electricity meter, since the surface wave delay line 7, 10 of the oscillator 6, the interdigital transducers 8, 9 and of course also the frequency discriminator 13 and the evaluation circuit 12 or the controller 21 in integrated circuit technology as inexpensive mass-produced items can be produced. Since the frequency discriminator 13 supplies 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.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (5)
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