DE3133042C2

DE3133042C2 - Gleichstrom-Meßfühler

Info

Publication number: DE3133042C2
Application number: DE19813133042
Authority: DE
Inventors: Shinichiro 48057 Auburn Heights Mich. Iwasaki
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1980-08-29
Filing date: 1981-08-21
Publication date: 1983-07-21
Also published as: JPH0131591B2; JPS5772069A; DE3133042A1

Abstract

Es wird ein Gleichstrom-Detektor angegeben, der ein Strom/Impulstastverhältnis-Wandlerelement mit einem Kern aus einem amorphen weichmagnetischen Material aufweist, an dem eine erste und eine zweite Wicklung angebracht sind. Über die erste Wicklung wird ein zu ermittelnder Strom geführt, während der durch die zweite Wicklung fließende Strom erfaßt wird. An ein Ende der zweiten Wicklung werden Impulse mit einer vorgegebenen Frequenz angelegt, während das andere Ende der zweiten Wicklung mit einem Element verbunden ist, das den über die zweite Wicklung fließenden Strom in eine entsprechende Spannung umsetzt. Die an dem Element entstehende Spannung wird integriert und dann in eine Analogspannung umgesetzt. Das Tastverhältnis der an dem mit dem anderen Ende der zweiten Wicklung verbundenen Element auftretenden Spannungsimpulse ändert sich entsprechend der Stärke des über die erste Wicklung fließenden Stroms, wodurch die Analogspannung geändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Meßfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 22 28 867 ist ein derartiger Gleichstrom-Meßfühler bekannt, bei dem zur Verbesserung der Linearität der Stromumwandlungskennlinie der Ausgangsstrom des die zweite Wicklung speisenden Spannungsgenerators über eine geschlossene Regelschleife derart gesteuert wird, daß die im Kern des Wandlerelements durch den Ausgangsstrom hervorgerufene Magnetflußänderung irn wesentlichen konstant bleibt. Zur Erzeugung des für die Regelschleife benötigten Rückkoppiungssignals wird mittels einer zusätzlichen separaten Spule die im Kern auftretende Magnetflußänderung ermittelt und das integrierte Ermittlungssignal mittels eines Vergleichers mit einem Bezugsspannungssignal verglichen, wobei die Ausgangsspannung des Vergleichers den Spannungsgenerator steuert. In anderer Ausfiihrungsform wird ohne zusätzliche Ermittlungsspule die am Ausgang der zweiten Wicklung auftretende Spannung direkt zur Steuerung einer Bezugsspannungsquelle verwendet, deren Ausgangssignal wiederum mit der am Eingang der zweiten Wicklung anliegenden Spannung verglichen wird. Allerdings begründet das Erfordernis einer separaten Rückkopplungsschleife nicht nur relativ hohen Aufwand, sondern es hat sich zudem beim praktischen Einsatz des bekannten Gleichstrom-Meßfühlers auch herausgestellt, daß die einfache Regelung des die zweite Wicklung speisenden Spannungsgenerators zur Konstanthaltung der im Kern auftretenden Magnetflußänderungen nicht in jedem Fall ausreichend ist, um damit auch eine klare eindeutige Aussage über die Größe des zu ermittelnden Gleichstroms zu pewinnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstrom-Meßfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit einfachen Mitteln derart auszugestalten, daß eine exakte zuverlässige Ermittlung des zu messenden Gleichstroms sichergestellt ist

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Mitteln gelöst

Erfindungsgemäß wird somit zur Speisung der um einen aus amorphem weichmagnetischem Material bestehenden Kern gewickelten zweiten Wicklung eine Impulsspannung verwendet wobei die wicklungsausgangsseitig auftretenden Impulse mittels einer Integrierschaltung zu einer dem zu ermittelnden Strom proportionalen Gleichspannung umgesetzt werden. Die Erfindung macht sich hierbei die Tatsache zu Nutze, daß das für den Kern verwendete amorphe weichmagnetische Material Magnetflußänderungen derart rasch aufnehmen kann, daß nunmehr die Verwendung einer impulsförmigen Speisespannung möglich ist Diese impulsförmige Speisespannung läßt sich ihrerseits bezüglich der wicklungsausgangsseitig auftretenden, in direkter Abhängigkeit von der Größe des zu ermittelnden Gleichstroms stehenden Zeitverzögerung der Impulsanstiegsflanken sehr einfach und exakt mittels der nachgeschalteten lntegriersclraitung auswerten. Damit ist bei einfachem Meßfühlera'ifbau und geringem Leistungsverbrauch eine exakte zuverlässige Ermittlung sowohl schwacher als auch starker Gleichströme sichergestellt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erl-äutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des Gleichstrom-Meßfühlers,

Fig.2 eine Längsschnittansicht eines in Fig. 1 gezeigten Wandlerelements,

F i g. 3 eine Ansicht der — gemäß der Darstellung — linken Seite des in F i g. 2 gezeigten Wandlerelements,

F i g. 4 eine Folge von Zeitdiagrammen, die verschiedene in der Schaltung nach Fig. 1 auftretende elektrische Signale veranschaulichen,

Fig. 5 graphisch eine gegen einen Strom /aufgetragene Meßausgangsspannung OUT der Schaltung nach Fig.l.

F i g. 6a ein Schaltbild einer unter Verwendung des in Fig. 1 gezeigten Gleichstrom-Meßfühlers aufgebauten Motorbelastungs-Warnschaltung,

F i g. 6b eine Folge von Zeitdiagrammen, die verschiedene, an verschiedenen Stellen in der Motorbelastungs-Warnschaltung nach F i g. 6a auftretende Signale

veranschaulichen, und

F i g. 7 ein Blockschaltbild eines Laststrom-Steuersystems, das den Gleichstrom-Meßfühler nach Fig. 1 enthält.

In der Zeichnung sind durchgehend bei den verschiedenen Darstellungen identische oder einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

In F i g. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Gleichstrom-Meßfühlers dargestellt Der Meßfühler weist ein Wandierelement 10 mit einem aus einem amorphen weichmagnetischen Material bestehenden Kern 11 auf, an dem eine erste Wicklung 12 und eine zweite Wicklung 13 angeordnet sind. Die erste Wicklung 12 ist in einen Stromkreis geschaltet, über den ein zu ermittelnder Gleichstrom / fließt, während die einander entgegengesetzten Enden der zweiten Wicklung 13 an eine Strommeßschaltung 100 angeschlossen sind.

Das amorphe weichmagnetische Material des Kerns 11 ist als dünnes Blatt geformt Das Material zeigt in magnetischer Hinsicht hohen Ferromagnetismus, hohe Permeabilität (μ_ΠΜΙ> ΙΟ³), geringen Wert magnetischer Sättigung und niedrige Koerzitivkraft (< 1,0 Oe). In mechanischer Hinsicht hat das Material seh.- hohe Bruchfestigkeit sowie hervorragende Elastizität und Beständigkeit

Die Verwendung des amorphen weichmagnetischen Materials als Kernmaterial erleichtert zudem die Herstellung des Wandlerelements. Das Wandlerelement erhält dadurch ferner hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen bzw. Vibrationen und Stößen, so daß es nahe an einem Fahrzeug-Elektromotor oder einer zugehörigen Treiberschaltung angeordnet werden kann. Von besonderer Bedeutung ist der Umstand, daß ü das Wandlerelement bei nur geringem Leistungsverbrauch einen Strom in irgendeinem beliebigen Pegelbereich ermitteln kann, wenn die Dimensionen des Kerns, der Wicklungsdraht und die Windungszahlen geeignet gewählt sind.

Gemäß den Fig.2 und 3 hat das Wandlerelement 10 einen Spulenkörper 14 mit einer axialen Öffnung, in die der Kern 11 eingesetzt ist An dem Spulenkörper 14 sind die erste und die zweite Wicklung 12 bzw. 13 angebracht. An einem rechtsseitigen Flansch des -r> Spulenkörpers 14 sind zwei Verbindungsanschlüsse 15i und 152 befestigt an die die beiden Fnden der ersten Wicklung 12 angeschlossen sind, während an einem linksseitigen Flansch zwei Verbindungsanschlüsse 16| und I62 befestigt sind, .iie mit den beiden Enden der >o zweiten Wicklung 13 verbunden sind.

Nach F i g. 1 besitzt die Strommeßschaltung 100 einen Speiseanschluß 101, an dem eine Konstantspannung Vcc anliegt, sowie einen Impulseingangsanschluß 102, an den ein Impulssignal mit einer vorgegebenen Frequenz von v> beispielsweise 20 kHz angelegt wird. Während eines Intervalls positiven Pegels des Eingangsimpulssignals sind Transistoren 103 und 104 durchgeschaltet so daß die Spannung Vccam Anschluß 16] anliegt. Andererseits sind während des Intervalls des Massepegels oder eines negativen Pegels des Eingangsimpulssignals die beiden Transistoren 103 und 104 gesperrt, so daß keine Spannung am Anschluß I61 anliegt Nach Auftreten der Spannung Vcc am Anschluß I61 fließt über die zweite Wicklung 13 ein Strom nach einer Verzögerungszeit td, die dem Wert des Gleichstroms / entspricht An den Anschluß I62 der zweiten Wicklung 13 ist eine Konstantstromquelle in der Form eines Feldeffekttransistors 105 angeschlossen. Während der Dauer des Stromflusses über die zweite Wicklung 13 tritt an dem Anschluß I62 ein Impuls a positiven Pegels auf (siehe F i g. 4), der mittels eines Verstärkers 106 verstärkt und geformt wird. Der hierbei gebildete Ausgangsimpuls b wird einer Integrierschaltung aus einem Widerstand 107a, einem Kondensator 107b und einem Widerstand 107c zugeführt, die über einen Ausgangsanschluß 104 eine Analogspannung in Form e_-ier integrierten Spannung abgibt

An dem Wandlerelement treten somit Impulse mit einem Tastverhältnis auf, das von dem Pegel eines durch die erste Wicklung fließenden Stroms abhängt; daher hat die analoge Ausgangsspannung der Integrierschaltung einen Pegel, der dem durch die erste Wicklung fließenden Strom entspricht

Für die in F i g. 1 gezeigte Schaltung wurde die an dem Ausgangsanschluß 108 entstehende Analogspannung bei unterschiedlichen Werten des Laststroms / bestimmt Das Material und die Abmessungen des dabei verwendeten Wandlerelements 10 sind in der nachstehenden Tabelle 1 angeführt, während die erzielten Daten in F i g. 5 dargestellt sind.

Nach F i g. 5 ändert sich die Ausgangsspannung bei einer Änderung des Laststroms / im Bereich von /<0,5A steil mit guter Linearität, während die Änderung für /> 0,5 A geringer ist Dies ist hauptsächlich auf den Aufbau des Kerns 11, der ein einzelnes schmales Blatt aus einem amorphen Material aufweist, und eine hohe Windungszahl der Wicklung 12 zurückzuführen. Durch Steigerung der Anzahl der in dem Kern verwendeten Blätter und Verbreiterung derselben oder durch Verringerung der Windungsanzahl der Wicklung 12 kann eine steile Änderung der Ausgangsspannung bei einer Stromänderung auch in einem höheren Strombereich erzielt werden. Demgemäß können die Dimensionen des Wandlerelements 10 entsprechend dem Bereich des zu bestimmenden Gleichstromkreis-Las«stroms gewählt werden. Hinsichtlich des Aufbaus dei Schaltung 100 sind keine besonderen Änderungen notwendig.

Tabelle 1

Kern 11

Material Atom Gew.-%

Abmessungen. Einzelblatt Länge Breite

Wicklung 12 Wicklung 13 Draht- Windungs- Draht- Windungs-

Durchm.

zahl

Durchm.

zahl

Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆
amorphe Legierung,
Bliittdicke = 0.058 mm

20 mm

1,8 mm 0,12 mm

1000

0,7 mm

10

Γ·' i g. ba /eigi eine einem Gleichstrommotor zugeordnete Belastungs-Warnschaltiing. bei der der Gleichstrom-Meßfühler nach Fig. 1 verwendet wird. An verschiedenen Stellen in der Schaltung auftretende elektrische Signale sind in F i g. bb dargestellt. Bei dieser Belastungs-Warnschaltiing ist an den Ausgangsanschluß 108 der Strommeßschaltung 100 des Gleichstrom-Meßfühlers eine Integrierschaltung ITC mit einem nicht-invertierenden Verstärker 21, Widerständen 22 und 26 und einem Kondensator 23 angeschlossen. Die integriert ausgeführte Integrierschaltung ITC ist mit dem invertierenden F.ingang ( —) eines Vergleichen 24 verbunden, an dessen nicht-invertierendem Hingang (-f-) eine Bezugsspannung anliegt. Wenn die integrierte Spannung unter die Be/iigsspannung absinkt bzw. über eine längere Zeitdauer ein hoher l.aststrom fließt, gibt der Vergleicher 24 ein positives Ausgangssignal ab, mit dem eine Leuchtdiode 25 eingeschaltet wird.

!•"ig. 7 zeigt ein I.aststrom-Steuersystem. das den uicii/imKiiii-rvicLmiiiici iiiii.ii Fig. 1 ϋϊΊϊί'ιίίίΐ. Von OiiiC-i' Gleichstromquelle wird ein Strom einer (nicht gezeigten) I..ist über eine Stromsteuerschaltung 27 und die erste Wicklung 12 des Wandlerelements 10 zugeführt.

Der l.aststrom wird mittels des Meßfühlers 10 bzw. der Meßschaltung 100 in eine Analogspannung umgesetzt, die an einen Vergleicher 28 angelegt wird. Wenn die angelegte Analogspannung eine Bezugsspannung Vrcf

■ übersteigt, gibt der Vergleicher 28 ein Steuersignal niedrigen Pegels »0« ab, während er ein Steuersignal hohen Pegels »I« abgibt, wenn die eingegebene Analogspannung unterhalb der Bezugsspannung Vrcf liegt. Über die Stromsteuerschaltung 27 wird die

" Stromzufuhr bei Auftreten des Steuersignals »0« verringert und bei Auftreten des Steuersignals »I« erhöht.

Der Gleichstrom-Meßfühler kann auch zur F.rfassung von Abnormalitäten eines über einen Generator, ein

■ Solenoid oder dergl. fließenden l.aststrom oder zur Erfassung von Bctriebsunregclmäßigkeiten bei einer Gleichstrom-Leistungsübertragungsleitung dienen. Die Stabilität des Wandlerelements 10 sowie dessen Aufbau erlauben das Einfügen des Wandlerelcments 10 an einer

"·■' beliebigen Stelle c;"iC5 Luststrcriikrciscf. und erleichtern die Verwendung des Elements bei der Strommessung an einem Gleichstrommotor oder einem Gleichstromgenerator, der in einem Fahrzeug angebracht ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gleichstrom-Meßfühler mit einem Wandlerelement, das aus einem Kern aus magnetisierbarem Material und zwei um den Kern gewickelten Wicklungen besteht, wobei durch die erste Wicklung der zu ermittelnde Gleichstrom und durch die zweite Wicklung ein von einem imit einem Anschluß der zweiten Wicklung verbundenen Spannungsgenera- ι ο tor erzeugter, periodisch, veränderlicher Strom fließen, und mit einer mit dem anderen Anschluß der zweiten Wicklung verbundenen Spannungswandlereinrichtung zum Umsetzen des durch die zweite Wicklung fließenden Stroms in eine entsprechende Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (11) des Wandlerelements (10) aus amorphem weichmagnetischem Material besteht, daß der Spannungsgenerator (103, 104) eine in die zweite Wicklung (13) eingespeiste Impulsspannung erzeugt, ucd daß der Spannungswandlereinrichtung (105) eine Integrierschakung (106, 107a, 107έ>> nachgeschaltet ist, die das Ausgangssignal der Spannungswandlereinrichtung in eine Gleichspannung umsetzt, deren Amplitude der Amplitude des ^ zu messenden Stroms proportional ist

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (Hl) aus einem einzelnen Blatt besteht.

3. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (11) aus mehreren aufeinander geschichteten Blättern besteht.

4. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gtkennze-chnet, daß die Spannungswandlereinrichtun-_&· als Feldeffekttransistor ^ (105) zum Konstanthalten der ν röße des über die zweite Wicklung (13) des Wandlerelements (10) fließenden Stroms ausgebildet ist

5. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Inte- ·"> grierschaltung aus einem mit dem zweiten Anschluß (I62) der zweiten Wicklung (13) verbundenen Widerstand (107a) und einer mit dem anderen Anschluß des Widerstands (107a) verbundene» Parallelschaltung sus einem Kondensator (107 tyund ■*> einem weiteren Widerstand (107c,) besteht