DE3324224A1

DE3324224A1 - Anordnung zum messen eines stromes

Info

Publication number: DE3324224A1
Application number: DE19833324224
Authority: DE
Inventors: Mathis Baar Halder; Robert Urdorf Hausegger
Original assignee: Landis and Gyr AG; LGZ Landis and Gyr Zug AG
Current assignee: Siemens Building Technologies AG; Landis and Gyr AG
Priority date: 1983-06-09
Filing date: 1983-07-05
Publication date: 1984-12-13
Also published as: DE3324224C2; CH659895A5

Description

Anordnung zum Messen eines Stromes
Anordnung zum Messen eines Stromes Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Messen eines Stromes der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.
Zum Messen von Strömen ist es bekannt, in den Stromkreis einen oft als Shunt bezeichneten niederohmigen Widerstand zu schalten und den Spannungsabfall über diesem Widerstand zu messen. Dabei ergibt sich das ProbLem, dass entweder ein nur sehr kleiner, schwer zu messender Spannungsabfall auftritt oder aber eine verhältnismässig grosse Verlustleistung im Shunt in Kauf genommen werden muss. Da der Spannungsabfall zur Impedanz des Shunt direkt proportional ist, wirkt sich die Temperaturabhängigkeit des Widerstandsmaterials des Shunt unmittelbar auf die Messgenauigkeit aus.
Es ist eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt (DE-OS 24 58 319), bei der die über dem Shunt abfallende Spannung einen nichtinvertierenden Verstärker ansteuert, der einen zum Spannungsabfall proportionalen Strom erzeugt. Auch bei dieser Anordnung wirkt sich die Temperaturabhängigkeit des Shunts unmittelbar auf das Messresultat aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das erzeugte Abbild des zu messenden Stromes weitestgehend temperaturunabhängig ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine Anordnung zum Messen eines Stromes, Fig. 2 ein Prinzipschaltbild, Fig. 3 eine Variante der Anordnung nach der Fig. 1, Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit einem Flachleiter und Fig. 5 einen Flachleiter im Schnitt.
In der Fig. 1 bedeutet 3 einen Stromteiler, der aus einem Hauptstromleiter 1 und einem zu diesem in engem thermischem Kontakt stehenden, elektrisch jedoch isolierten Messleiter 2 besteht. Der Hauptstromleiter 1 einerseits und eine aus dem Messleiter 2 und einem Inversverstärker 4 (inverting amplifier) bestehende Reihenschaltung andererseits sind elektrisch parallel geschaltet. Im dargestellten Beispiel besteht der Messleiter 2 aus zwei Teilleitern 2a und 2b, deren äussere Enden jeweils mit dem einen Ende des Hauptstromleiters 1 verbunden sind und deren einander zugewandte Enden an den Inversverstärker 4 angeschlossen sind. An seinen längsseitigen Enden weist der Stromteiler 3 je einen Anschluss 5 bzw. 6 auf.
Der Inversverstärker 4 besteht aus einem Operationsverstärker 7 mit einem invertierenden Eingang 8 und einem nichtinvertierenden Eingang 9 sowie aus einem Rückkopplungswiderstand 10. Der Differenzeingang 8, 9 des Operationsverstärkers 7 liegt unmittelbar in Reihe mit dem Messleiter 2. Der Rückkopplungwiderstand 10 ist zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang 8 des Operationsverstärkers 7 geschaltet. Eine positive Spannungsquelle 11 und eine negative Spannungsquelle 12 sind einerseits mit dem positiven bzw. negativen Speiseanschluss des Operationsverstärkers 7 und andererseits mit dem Bezugspotential 13 des Inversverstärkers 4 sowie mit dem nichtinvertierenden Eingang 9 verbunden.
Die Spannung über dem Differenzeingang 8, 9 des Operationsverstärkers 7 ist in der Zeichnung mit U und die Ausgangspannung e an Ausgangsklemmen 14, 15, welche mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 7 bzw. mit dem Bezugspotential 13 verbunden sind, mit U bezeichnet.
a In der Fig. 2 ist das elektrische Prinzipschaltbild der beschriebenen Messanordnung dargestellt. Die Impedanz des Hauptstromleiters 1 ist mit R1, jene des Messleiters 2 mit R2 und jene des Rückkopp lungswiderstandes 10 mit R10 bezeichnet.
Der zu messende Strom I, der ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom sein kann, fliesst über den Anschluss 5 (Fig. 1) zum Stromtei- ler 3, wird in Teilströme 11 und I2 aufgeteilt und verlässt den Stromteiler 3 über den Anschluss 6. Im Hauptstromleiter 1 fliesst der Teilstrom I1. Der Teilstrom 12 fliesst durch den Teilleiter 2a des Messleiters 2, den Rückkopplungswiderstand 10, den Operationsverstärker 7, die Spannungsquelle 11 bzw. 12 und den Teilleiter 2b. Infolge der sehr grossen Verstärkung des Operationsverstärkers 7 ist die Eingangsspannung U praktisch null, so dass e das Stromteilerverhältnis I1: 12 nur durch das Widerstandsverhältnis R1: R2 bestimmt ist und nicht dadurch beeinflusst wird, dass in Reihe mit dem Messleiter 2 ein Verstärker geschaltet ist.
Für die Ausgangsspannung U gilt a Ua = -R 10 .I2.
Ferner ist Somit wird die Ausgangsspannung Ua zu Der Uebertragungsfaktor der beschriebenen Messanordnung ist also von der über dem Stromteiler 3 abfallenden Spannung unabhängig und nur durch den Widerstand R10 und das Widerstandsverhältnis R1: R2 bestimmt. Durch den innigen Wärmekontakt zwischen dem Hauptstromleiter 1 und dem Messleiter 2 ist gewährleistet, dass die Widerstände R1 und R2 stets ihr Widerstandsverhältnis zueinander beibehalten, sofern sie aus dem gleichen Leitermaterial bestehen und daher ihre Temperaturkoeffizienten gleich gross sind.
Die Ausgangsspannung Ua ist daher von der Temperatur des a Stromteilers 3 unabhängig.
Bei gleicher Länge des Hauptstromleiters 1 und des Messleiters 2 ist das Widerstandsverhältnis R : R2 durch das Verhältnis der Querschnitte der beiden Leiter 1, 2 gegeben. Wird das Widerstandsverhältnis R1: R2 beispielsweise 1 : 104 gewählt und ist ein Strom I von z.B. maximal 100 A zu messen, so muss der Inversverstärker 4 für einen Verstärkerstrom von lediglich 10 mA ausgelegt sein.
Wie in der Fig. 3 dargestellt, sind die einander zugewandten Enden der Teilleiter 2a und 2b vorteilhaft über gesonderte Leitungen 16 bis 19 mit dem invertierenden Eingang 8, dem Rückkopplungswiderstand 10, dem Bezugspotential 13 und dem nichtinvertierenden Eingang 9 verbunden. Dabei weisen die beiden genannten Enden je zwei nahe beieinander liegende Anschlusspunkte 20, 21 bzw. 22, 23 auf, die z.B. Löt- oder Schweissstellen sein können.
In Stromflussrichtung betrachtet ist der erste Anschlusspunkt 20 mit dem invertierenden Eingang 8, der zweite Anschlusspunkt 21 mit dem Rückkopplungswiderstand 10, der dritte Anschlusspunkt 22 mit dem Bezugspotential 13 und der vierte Anschlusspunkt 23 mit dem nichtinvertierenden Eingang 9 verbunden. Dadurch ist gewährleistet, dass die tatsächliche Spannung über der Schnittstelle des Messleiters 2 zum Differenzeingang 8, 9 des Operationsverstärkers 7 gelangt und die Eingangspannung Ua nicht durch den e Spannungsabfall an den stromführenden Anschlusspunkten 21, 22 verfälscht wird.
Der Stromteiler 3 kann z.B. aus einem vieladrigen Kabel bestehen, das n verseilte oder verflochtene Adern aufweist, wobei n-1 Adern den Hauptstromleiter 1 und eine Ader den Messleiter 2 bilden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist in der Fig. 4 dargestellt, in der gleiche Bezugszahlen wie in den Fig. 1 bis 3 auf gleiche Teile hinweisen. Der Hauptstromleiter 1 ist ein U-förmig ausgebildeter Flachleiter und der Messleiter 2 ein auf der äusseren Oberfläche des Flach leiters angeordneter Draht, dessen Enden nahe bei den Anschlüssen 5, 6 des Hauptstromleiters 1 z.B. durch eine Schweiss- oder Lötverbindung mit diesem verbunden sind. In der Zeichnung ist nur der eine Verbindungspunkt 24 zwischen dem Hauptstromleiter 1 und dem Messleiter 2 sichtbar. Der Messleiter 2 ist gemäss der Fig. 5 vorteilhaft in einer Längsnut 25 des Hauptstromleiters 1 angeordnet, so dass ein besonders guter Wärmekontakt gewährleistet ist. An einer beliebigen Stelle - im dargestellten Beispiel in der Nähe der Umkehrkante 26 des Hauptstromleiters 1 - ist der Messleiter 2 aufgetrennt und an den Inversverstärker 4 angeschlossen. Durch die U-förmige Ausbildung des Hauptstromleiters 1 und des Messleiters 2 ergibt sich eine induktionsfreie Anordnung und damit ein minimaler Phasenfehler bei der Messung von Wechselströmen.
Anstatt auf der Aussenfläche der Schenkel des U-förmigen Hauptstromleiters 1 kann der Messleiter 2 auch auf den Innenflächen dieser Schenkel angeordnet sein.
Der Inversverstärker 4 mit seinem Operationsverstärker 7 und dem Rückkopplungswiderstand 10 ist in der Fig. 4 auf einem Substrat 27 angeordnet, das an einem der Schenkel des Hauptstromleiters 1 befestigt ist. Auf dem Substrat 27 befinden sich auch vier Kontakte, welche die Anschlusspunkte 20 bis 23 des Messleiters 2 bilden. Die Spannungsquellen 11, 12 (Fig. 1) sind aus Gründen der zeichnerischen Einfachheit in der Fig. 4 nicht dargestellt. Die elektrischen Verbindungsleitungen zischen den Kontakten bzw. Anschlusspunkten 20 bis 23, dem Operationsverstärker 7, dem Rückkopplungswiderstand 10 und den Ausgangsklemmen 14, 15 können als gedruckte Schaltung ausgeführt sein. Besonders vorteilhaft ist es, den gesamten Schaltkreis als Hybridschaltkreis auszubilden.
-- Leerseite -

Claims

Patentansprüche 1. Anordnung zum Messen eines Stromes, mit einem in den Messstromkreis schaltbaren Hauptstrornleiter und einem Verstärker, der aus einem Operationsverstärker und einem Rückkopplungswiderstand besteht und ein lineares Abbild des zu messenden Stromes erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstromleiter (1) und ein zu diesem in engem thermischem Kontakt stehender Messleiter (2) einen Stromteiler (3) bilden und dass der Verstärker (4) ein mit dem Messleiter (2) in Reihe geschalteter Inversverstärker ist, wobei der Differenzeingang (8, 9) des Operationsverstärkers (7) und der Messleiter (2) eine Reihenschaltung bilden, der Rückkopplungswiderstand (10) zwischen dem Ausgang und den invertierenden Eingang (8) des Operationsverstärkers (7) geschaltet ist und der nichtinvertierende Eingang (9) des Operationsverstärkers (7) mit dem Bezugspotential (13) des Inversverstärkers (4) verbunden ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messleiter (2) aus zwei Teilleitern (2a; 2b) besteht, deren äussere Enden jeweils mit dem einen Ende des Hauptstromleiters (1) verbunden sind und deren einander zugewandte Enden über gesonderte Leitungen (16 bis 20) an den invertierenden Eingang (8) des Operationsverstärkers (7), den Rückkopplungswiderstand (10), das Bezugspotential (13) des Inversverstärkers (4) und den nichtinvertierenden Eingang (9) des Operationsverstärkers (7) angeschlossen sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Enden der beiden Teilleiter (2a; 2b) je zwei nahe beieinanderliegende Anschlusspunkte (20; 21 bzw.

22, 23) aufweisen und dass - in Stromflussrichtung betrachtet -der erste Anschlusspunkt (20) mit dem invertierenden Eingang (8) des Operationsverstärkers (7), der zweite Anschlusspunkt (21) mit dem Rückkopplungswiderstand (10), der dritte Anschlusspunkt (22) mit dem Bezugspotential (13) des Inversverstärkers (4) und der vierte Anschlusspunkt (23) mit dem nichtinvertierenden Eingang (9) des Operationsverstärkers (7) verbunden ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstromleiter (1) ein Flachleiter und der Messleiter (2) ein auf der Oberfläche des Flachleiters angeordneter Draht ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstromleiter (1) U-förmig ausgebildet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Messleiter (2) in einer Längsnut (25) des Hauptstromleiters (1) angeordnet ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Operationsverstärker (7) und der Rückkopplungswiderstand (10) auf einem Substrat (27) angeordnet sind und dass das Substrat (27) vier Kontakte aufweist, welche die vier Anschl-usspunkte (20 bis 23) des Messleiters (2) bilden.