DE3318270C1 - Current measuring sensor for checking the function of electrical consumers - Google Patents
Current measuring sensor for checking the function of electrical consumersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Strommeßsensor zur Funktionskontrolle elektrischer Verbraucher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a current measuring sensor for the functional control of electrical consumers after Preamble of claim 1.
Es ist ein gattungsgemäßer Strommeßsensor bekannt (DE-OS 23 14 800), welcher derart ausgebildet ist, daß ein kurzes, an den Enden einen Stecker und eine Flachbuchse aufweisendes Leitungsstück durch den Ringkern des Sensors geführt und mit dem Ringkern und der auf diesem angeordneten Wicklung so mit einem isolierenden Material vergossen ist, daß nur noch der Stecker und die Flachbuchse frei zugänglich sind. Zur Überwachung des Verbraucherstromkreises wird dann die zum Verbraucher führende Leitung aufgetrennt und der Strommeßsensor mit seinem kurzen Leitungsstück zwischengeschaltet. There is a generic current measuring sensor known (DE-OS 23 14 800), which is designed such that a short line piece with a plug and a flat socket at the ends through the toroidal core of the sensor out and with the toroidal core and the winding arranged on this so with an insulating Material is potted so that only the plug and the flat socket are freely accessible. For monitoring of the consumer circuit, the line leading to the consumer is then separated and the Current measuring sensor interposed with its short piece of line.
Zwar wird sich dieser Strommeßsensor gegenüber weiters bekannten Zangenstromwandlern, bei welchen zum Messen des Stromes der Verbraucherstromleiter nicht aufgetrennt werden muß, durch geringere Abmessungen, geringere Verluste, einen größeren Arbeitstemperaturbereich und eine höhere Empfindlichkeit auszeichnen, er weist jedoch einerseits aufgrund des erforderlichen Leitungsstückes mit seinen Stecker- und Flachbuchsen-Anschlußteilen erhöhte Herstellkosten auf und andererseits ist nachteilig, daß ein Auftrennen des Verbraucherstromleiters erforderlich ist. Aufgrund der verwendeten Steckkontakte resultiert desweiteren eine geringere Zuverlässigkeit der Anordnung.It is true that this current measuring sensor is compared to further known current clamp transformers, in which To measure the current, the load conductor does not have to be disconnected, due to its smaller dimensions, are characterized by lower losses, a larger working temperature range and higher sensitivity, However, it has on the one hand due to the required line piece with its plug and Flat socket connection parts increased manufacturing costs and on the other hand is disadvantageous that a separation of the load conductor is required. This also results from the plug-in contacts used a lower reliability of the arrangement.
Es ist ferner ein Meßwertgeber zur Erfassung von Meßwerten innerhalb der elektrischen Anlage eines Kraftfahrzeuges, insbesondere der Zündanlage, bekannt (DE-AS 19 36 171), welcher einen von einer Wicklung umgebenen Ringkern aufweist und wobei zum Schutz gegen äußere Einflüsse eine den Meßwertgeber umgebende Kunststoffumhüllung vorgesehen ist. Der Meßwertgeber wird hierbei bei der Montage der elektrischen Anlage auf einem Teil oder einer Leitung von dem zu erfassenden Bauteil der elektrischen Anlage angebracht und verbleibt dann fest installiert innerhalb der elektrischen Anlage.It is also a transducer for recording measured values within the electrical system of a Motor vehicle, in particular the ignition system, known (DE-AS 19 36 171), which one of a winding has surrounded toroidal core and wherein the transducer to protect against external influences surrounding plastic casing is provided. The transducer is used when assembling the electrical System attached to a part or a line of the component of the electrical system to be detected and then remains permanently installed within the electrical system.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Strommeßsensor so weiterzubilden, daß zum einen durch niedrigere Herstellkosten ein wirtschaftlicher Einsatz und eine serienmäßige industrielle Nutzbarmachung möglich wird und zum anderen eine funktionssichere, einfache und unkomplizierte Anbringung desselben auf einem Verbraucherstromleiter ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.The object of the invention is to develop a generic current measuring sensor so that on the one hand economic use and serial industrial utilization due to lower manufacturing costs becomes possible and, on the other hand, a functionally reliable, simple and uncomplicated attachment of the same is made possible on a load conductor. This object is achieved according to the invention by the characterizing features of claim 1 solved.
Dadurch, daß der Ringkern an seinen Enden als offener Ring ausgebildet ist und aus einer magnetostriktionsfreien amorphen Legierung mit hohem Kobaltgehalt besteht und die Wicklung und der Ringkern mit einem elastischen Isoliermaterial vergossen sind, ist dieser flexibel und elastisch und kann ohne Beeinträchtigung seiner magnetischen Eigenschaften und ohne bleibende Verformung aufgeweitet und 'clipsartig über einen Stromleiter gestreift werden. Normale Legierungen, auch die beim gattungsgemäßen Strommeßsensor verwendete Mu-Metall-Legierung, würden beim Aufweiten zum einen aufgrund ihrer Magnetostriktion ihre hohe Permeabilität verlieren und in Folge auch der Sensor seine Eigenschaften geringe Verluste und hohe Empfindlichkeit, zum anderen würden sich diese Legierungen bleibend verformen. Desweiteren kann durch den erfindungsgemäß ausgebildeten Ringkern der Sensor in seinen Abmessungen extrem klein gehalten werden, gleichwohl aber eine hohe Empfindlichkeit erzielt werden, obwohl theoretisch die erzielbare Empfindlichkeit mit den Abmessungen und der Windungszahl der Spule zunimmt.The fact that the toroidal core is designed as an open ring at its ends and consists of a magnetostriction-free one amorphous alloy with high cobalt content and the winding and the toroid with are encapsulated in an elastic insulating material, this is flexible and elastic and can be used without impairment its magnetic properties and widened without permanent deformation and 'clip-like over a Conductors are striped. Normal alloys, including those used in the generic current measuring sensor used mu-metal alloy, would when expanding on the one hand, because of their magnetostriction, they lose their high permeability and consequently so do the sensor its properties of low losses and high sensitivity, on the other hand, these alloys would be permanently deform. Furthermore, through the ring core designed according to the invention, the sensor can be kept extremely small in size, but still achieve a high level of sensitivity although theoretically the achievable sensitivity with the dimensions and the number of turns of the Coil increases.
Zur weiteren Senkung der Herstellkosten und Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der industriellen Serienfertigung, können nach den Merkmalen des Anspruches 2 sowohl die amorphe Legierung als auch die Wicklung als Metallfilm auf das Flachband aufgebracht werden,To further reduce manufacturing costs and increase the profitability of industrial series production, can according to the features of claim 2, both the amorphous alloy and the winding be applied as a metal film to the flat strip,
z. B. nach der sogenannten Dickfilmtechnik.z. B. according to the so-called thick film technology.
Der Strommeßsensor läßt sich also in idealer Weise zur Kontrolle von gewöhnlichen elektrischen Verbrauchern, wie Lampen Glühkerzen, Heizleitern, Motoren usw. einsetzen, nur bedingt jedoch für elektronische Verbraucher, da das Prinzip nicht rückwirkungsfrei ist und somit kleine Impulse in den Verbraucherstromleiter eingeschleift werden können.The current measuring sensor can therefore be ideally used to control normal electrical consumers, Use glow plugs, heating conductors, motors, etc. like lamps, but only to a limited extent for electronic ones Consumers, as the principle is not free of feedback and thus small impulses in the consumer current conductor can be looped in.
Der erfaßbare Frequenzbereich reicht hierbei von Gleichstrom bis zu ca. 100 kHz.The detectable frequency range extends from direct current up to approx. 100 kHz.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und schaltungstechnische Anwendungsbeispiele sind in der
Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
F i g. la bis Ic den Strommeßsensor,An embodiment of the invention and circuit application examples are shown in the drawing and are described in more detail below. Show it
F i g. la to Ic the current measuring sensor,
Fig.2 eine erste Schaltungsanordnung für den Strommeßsensor,2 shows a first circuit arrangement for the current measuring sensor,
F i g. 3 eine zweite Schaltungsanordnung für den
Strommeßsensor,
Flg.4 eine dritte Schaltungsanordnung für den
Strommeßsensor,F i g. 3 a second circuit arrangement for the current measuring sensor,
Flg.4 a third circuit arrangement for the current measuring sensor,
Fig.5 eine vierte Schaltungsanordnung für den Strommeßsensor,5 shows a fourth circuit arrangement for the current measuring sensor,
F i g. 6 und 7 logische Verknüpfungen von Strommeßsensoren. F i g. 6 and 7 logical links between current measuring sensors.
Der in Fig. la dargestellte Ringkern 1 besteht aus einer hohe Permeabilität und niedrige Koerzitivfeldstärke und Hystereseverluste aufweisenden magnetostriktionsfreien amorphen Legierung mit hohem Ko-The toroidal core 1 shown in Fig. La consists of a high permeability and low coercive field strength and hysteresis losses exhibiting magnetostriction-free amorphous alloy with high co-
baltgehalt und ist als einlagiges dünnes isoliertes Flachband 2 ausgebildet. Der Ringkern 1 ist als offener Ring so gestaltet, daß sich die Enden 2' und 2" des Flachbandes 2 überlappen, um zu gewährleisten, daß der Magnetfluß geschlossen bleibt. Wie F i g. Ib zeigt, erstreckt sich quer zur Längsrichtung (Umfangsrichtung) und über die Länge des Flachbandes 2 eine Wicklung 3 mit zwei Wicklungsanschlüssen 3' und 3" und wie desweiteren Fig. Ic zeigt, ist die gesamte Einheit mit einem elastischen und isolierenden Material 4 vergossen, jedoch so, daß die Enden 2' und 2" sich weiterhin nur überlappen und der Ringkern aufgeweitet werden kann, so daß er über einen Verbraucherstromleiter 5 geclipst werden kann. Die beiden Wicklungsanschlüsse 3' und 3" sind mit einer Zuleitung 6 verbunden, welche als verdrillte Zweidrahtleitung zur Elektronik führend mehrere Meter lang sein kann.balt content and is available as a single-layer, thin, insulated ribbon 2 trained. The toroidal core 1 is designed as an open ring so that the ends 2 'and 2 "of the ribbon Overlap 2 to ensure that the magnetic flux remains closed. Like F i g. Ib shows extends transversely to the longitudinal direction (circumferential direction) and over the length of the flat strip 2, a winding 3 with two Winding connections 3 'and 3 "and as further FIG. Ic shows, the entire unit is with an elastic and insulating material 4 potted, but in such a way that the ends 2 'and 2 "continue to only overlap and the toroidal core can be expanded so that it can be clipped over a load conductor 5 can. The two winding connections 3 'and 3 "are connected to a supply line 6, which is a twisted two-wire line leading to electronics can be several meters long.
Während gemäß Fig. la das Flachband 2 selbst aus der amorphen Legierung besteht, kann diese Legierung aber auch als Metallfilm auf das Flachband aufgebracht sein, zum Beispiel als aufgedampfter oder gesputterter amorpher Metallfilm. Ebenso kann die Wicklung in bei der gedruckten Schaltungstechnik bekannter Weise auf das Flachband aufgebracht sein.While according to Fig. La the ribbon 2 itself off the amorphous alloy, this alloy can also be applied to the flat strip as a metal film be, for example, as a vapor-deposited or sputtered amorphous metal film. Likewise, the winding in at the printed circuit technology known way be applied to the ribbon.
Die Fig.2 bis 5 zeigen nun praktische, schaltungstechnische Anwendungsmöglichkeiten und Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Strommeßsensors 7, welcher — wie in F i g. Ic dargestellt — zur Funktionskontrolle eines elektrischen Verbrauchers dessen Verbraucherstromleiter 5 umschließt.FIGS. 2 to 5 now show practical circuitry Possible applications and exemplary embodiments of the current measuring sensor according to the invention 7, which - as in FIG. Ic shown - for function control of an electrical consumer whose consumer conductor 5 encloses.
Gemäß F i g. 2 liegt der Strommeßsensor 7 in Reihe mit einem Widerstand 8 und wird mit einem eingesprägten Strom niedriger Frequenz — z. B. zur Messung von Gleichströmen mit einer Steuerfrequenz von 1 Hz, wodurch Stromverbrauch und Störeinflüsse des Sensors gering gehalten werden — von einem Oszillator 9 gespeist und in die Sättigung gesteuert. Fließt nun durch den vom Strommeßsensor 7 umschlossenen Verbraucherstromleiter 5 ein Strom, so erzeugt dieser ein externes Zusatzfeld, welches eine vorzeitige Sättigung des Ringkernes bewirkt Infolge davon ergibt sich eine Amplitudenasymmetrie der Spannung Ua an der Sensor-Widerstand-Kombination, welche Asymmetrie dann als Maß für die Größe des zu messenden Stromes am Verbraucher herangezogen wird. Fließt in dem Verbraucherstromleiter aufgrund beispielsweise eines Glühfadenbruches in der Lampe kein Strom mehr, so sind die Amplituden der Spannung Ua symmetrisch, die Asymmetrie also gleich Null, was dann von der nachgeschalteten Elektronik als »Störfall« angezeigt wird.According to FIG. 2 is the current measuring sensor 7 in series with a resistor 8 and is impressed with a current of low frequency - z. B. for measuring direct currents with a control frequency of 1 Hz, whereby power consumption and interference from the sensor are kept low - fed by an oscillator 9 and controlled into saturation. Now flows through the space enclosed by the current measuring sensor 7 load current conductor 5, a current, so this generates an external additional field, which causes premature saturation of the toroidal core As a result, the resulting amplitude asymmetry of the voltage Ua at the sensor-resistor combination which asymmetry then as a measure of the size of the current to be measured at the consumer is used. If there is no more current flowing in the consumer current conductor due to a broken filament in the lamp, for example, the amplitudes of the voltage Ua are symmetrical, the asymmetry is equal to zero, which is then indicated by the downstream electronics as a "fault".
Da hohe Werte von dB/dt (B = Induktion) nur durch sehr hohe Frequenzen zu erzielen sind, die mit einem Dreiecksgenerator (Oszillator 9) nach Fig.2 nur schwer zu erzeugen sind, wird zur Steigerung der Empfindlichkeit bei gleicher Spulendimensionierung des Sensors eine Schaltung nach Fig.3 vorgeschlagen. Hierbei liegt der Strommeßsensor 7 in Reihe zwischen einer Kapazität 10 und einem an Masse liegenden Widerstand 8 und wird von einem Oszillator 11 mit einer eingeprägten Rechteckspannung U gespeist und in die Sättigung gesteuert. Die Serienschaltung vom Sensor 7 mit seiner Induktivität (L) und dem Widerstand 8 (R) wirkt hierbei als Integrationsglied, so daß nach jeder Umschaltflanke des Rechteckgenerators 11 der Sensorstrom erst langsam mit der Zeitkonstante L/R ansteigt, wobei die Induktivität L und damit auch die Zeitkonstante L/R von der augenblicklichen Magnetisierung im Ringkern des Sensors abhängen. Fließt nun durch den vom Strommeßsensor 7 umschlossenen Verbraucherstromleiter 5 ein Strom, so erzeugt dieser wiederum ein externes Zusatzfeld, so daß der Ringkern des Sensors vorzeitig in die Sättigung gerät und die Induktivität L des Sensors 7 zusammenbricht. Dies äußert sich in einem sprunghaften Anstieg des Sensorstromes, wobei man durch die differenzierende Wirkung des Kondensators 10 einen Stromimpuls erhält, welcher — über den diesem proportionalen Spannungsabfall am WiderstandSince high values of dB / dt (B = induction) can only be achieved with very high frequencies, which are difficult to generate with a triangular generator (oscillator 9) according to FIG Proposed circuit according to Fig.3. Here, the current measuring sensor 7 lies in series between a capacitance 10 and a resistor 8 connected to ground and is fed by an oscillator 11 with an impressed square-wave voltage U and controlled to saturation. The series connection of the sensor 7 with its inductance (L) and the resistor 8 (R) acts as an integration element, so that after each switching edge of the square-wave generator 11, the sensor current rises slowly with the time constant L / R, with the inductance L and thus also the time constant L / R depend on the momentary magnetization in the toroidal core of the sensor. If a current now flows through the load current conductor 5 enclosed by the current measuring sensor 7, this in turn generates an additional external field, so that the toroidal core of the sensor prematurely saturates and the inductance L of the sensor 7 collapses. This manifests itself in a sudden increase in the sensor current, whereby the differentiating effect of the capacitor 10 results in a current pulse which - via the voltage drop across the resistor that is proportional to it
ίο 8 gemessen — eine Amplitudenasymmetrie der Spannung
Ua bewirkt, welche Asymmetrie dann als Maß für
die Größe des zu messenden Stromes am Verbraucher herangezogen wird.
F i g. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei welcher der Strommeßsensor 7 als magnetisch gesteuerte Induktivität
in eine Oszillatorschaltung 12 eingebaut ist. Fließt hierbei durch den vom Strommeßsensor 7 umschlossenen
Verbraucherstromleiter 5 ein Strom, so erzeugt dieser wiederum ein externes Zusatzfeld, wodurch sich die
Induktivität und somit auch die Frequenz des Relaxationsoszillators 12 ändert. Die Frequenz ist also über
den Magnetfluß direkt vom im Verbraucher fließenden Strom abhängig, so daß die Frequenzänderung als Maß
für die Größe des zu messenden Stromes am Verbraueher herangezogen werden kann. Durch eine entsprechende
Auswertenachbeschaltung 13 zur Oszillatorschaltung 12 mit Schmitt-Triggern, Differenziergliedern
und Tiefpässen (z.B. R1=75Q, R2 = lkQ,
R 2 = 1 kQ, C 1 = 30OpF, C 2 = 1 μΡ, Schmitt-Trigger
74 LS 14) kann dann am Ausgang der Schaltung entweder die Frequenzänderung direkt als Frequenzsignal
/λ oder als der Frequenzänderung analoges Spannungssignal
Ua gemessen werden.
Als Dimensionierungsbeispiel für den Strommeßsensor seien beispielsweise folgende Daten genannt:ίο 8 measured - causes an amplitude asymmetry of the voltage Ua , which asymmetry is then used as a measure for the size of the current to be measured at the consumer.
F i g. 4 shows a circuit arrangement in which the current measuring sensor 7 is built into an oscillator circuit 12 as a magnetically controlled inductance. If a current flows through the load current conductor 5 enclosed by the current measuring sensor 7, this in turn generates an additional external field, which changes the inductance and thus also the frequency of the relaxation oscillator 12. The frequency is therefore directly dependent on the current flowing in the consumer via the magnetic flux, so that the change in frequency can be used as a measure of the magnitude of the current to be measured at the consumer. Through a corresponding evaluation circuit 13 to the oscillator circuit 12 with Schmitt triggers, differentiators and low-pass filters (e.g. R1 = 75Q, R2 = lkQ, R 2 = 1 kQ, C 1 = 30OpF, C 2 = 1 μΡ, Schmitt trigger 74 LS 14) the frequency change can then be measured directly as a frequency signal / λ or as a voltage signal Ua analogous to the frequency change at the output of the circuit.
As a dimensioning example for the current measuring sensor, the following data are mentioned, for example:
Ringkern: aus Metglas 2705 M oder Vitrovac 6025 X,
Abmessungen: Länge 10 mm, zu einem KreisToroidal core: made of Metglas 2705 M or Vitrovac 6025 X,
Dimensions: length 10 mm, in a circle
von ca. 3 mm 0 gebogen,
Breite 2 mm,bent from approx. 3 mm 0,
Width 2 mm,
Dicke 0,025 mm, einlagig,Thickness 0.025 mm, single layer,
Wicklung: ca. 200 Windungen, KupferWinding: approx. 200 turns, copper
draht 0,1 mm 0, einlagig.wire 0.1 mm 0, single layer.
Während bei den Schaltungsbeispielen nach Fig.2 bis 4 die Größe des Stromes am Verbraucher gemessen werden kann, zeigt Fig.5 eine Schaltung, welche nur feststellt, ob Strom fließt oder nicht. Hierbei wird der Strommeßsensor 7 mit Stromimpulsen kurzer Dauer von einem Impulsgenerator 14 gespeist, wobei der wenig unterhalb der Sättigung betriebene Strommeßsensor Ausgangssignale 5 als Schwellwert abgibt, welcher Schwellwert durch die Sättigungsinduktion des Ringkernmaterials bestimmt ist. Fließt nun durch den vom Strommeßsensor 7 umschlossenen Verbraucherstromleiter 5 ein Strom, so erzeugt dieser wiederum ein Zusatzfeld, welches eine Sättigung des Ringkernes und in Folge einen Zusammenbruch der Induktivität des Sensors bewirkt. Dadurch ändern sich die Ausgangssignale — sie werden beispielsweise stark differenziert — und diese Änderung dient dann als Kennung für einen Stromfluß im Verbraucherstromleiter. Dieses Prinzip, nämlich das Ausnützen der Hystereseschleife des Ringkernmaterials zur Vorgabe eines Schwellwertes und die Induktivitätsmessung mit Impulsen, ist insbesondere für die Lampen- und Glühkerzenkontrolle in Kraftfahrzeugen von Interesse und weist gegenüber der Verwendung eines Hallgenerators die Vorteile auf, daß nur zweiWhile in the circuit examples according to Fig. 2 to 4, the magnitude of the current measured at the consumer 5 shows a circuit which only determines whether current is flowing or not. Here the Current measuring sensor 7 fed with current pulses of short duration from a pulse generator 14, the little Current measuring sensor operated below saturation emits output signals 5 as a threshold value, which Threshold is determined by the saturation induction of the toroidal core material. Now flows through the vom Current measuring sensor 7 enclosed consumer conductor 5 a current, this in turn generates an additional field, which saturation of the toroidal core and consequently a collapse of the inductance of the sensor causes. This changes the output signals - for example, they are strongly differentiated - and this change then serves as an identifier for a current flow in the load conductor. This principle namely the use of the hysteresis loop of the toroidal core material for specifying a threshold value and the Inductance measurement with pulses is particularly useful for checking lamps and glow plugs in motor vehicles of interest and has the advantages over the use of a Hall generator that only two
Zuleitungen benötigt werden, der Arbeitstemperaturbereich bis über 200° C betragen kann und eine höhere Empfindlichkeit gegeben ist (so sind Ströme größer gleich 0,5 Ampere leicht meßbar). Zur Kontrolle selbst können z. B. Impulse von 1 bis 10 μβ Dauer bei einer Folgefrequenz von 1 Hz verwendet werden. Ein weiterer Vorteil dieses Prinzips ist, daß durch Serien- oder Parallelschaltung mehrerer Sensoren, von denen jeder einen diversen Verbraucherstromleiter umschließt, logische Verknüpfungen möglich sind. Die Serienschaltung gemäß F i g. 6 ergibt eine logische NAND-Verknüpfung, da in allen Stromkreisen Strom fließen muß, um die Gesamtinduktivität der Serienschaltung unter einen vorgegebenen Schwellwert zu senken. Die Parallelschaltung gemäß F i g. 7 ergibt eine logische NOR-Verknüpfung, da bereits ein Stromfluß in einem der Verbraucherstromkreise die Gesamtinduktivität der Parallelschaltung auf einen sehr kleinen Wert absenkt. Durch diese Art der logischen Verknüpfung können nicht nur zusätzliche elektronische Bauteile, sondern auch Leitungen eingespart werden.Supply lines are required, the working temperature range can be over 200 ° C and a higher one Sensitivity is given (currents greater than or equal to 0.5 amps can easily be measured). To control yourself can e.g. B. pulses of 1 to 10 μβ duration at a Repetition frequency of 1 Hz can be used. Another advantage of this principle is that serial or Parallel connection of several sensors, each of which encloses a diverse load conductor, logical Links are possible. The series connection according to FIG. 6 results in a logical NAND link, since current must flow in all circuits in order to reduce the total inductance of the series circuit below a to lower the specified threshold value. The parallel connection according to FIG. 7 results in a logical NOR operation, since there is already a current flow in one of the consumer circuits, the total inductance of the parallel connection lowers to a very small value. With this kind of logical connection you can not only additional electronic components, but also cables can be saved.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
2525th
3030th
4545
5050
5555
6060
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