DE3324224C2

DE3324224C2 -

Info

Publication number: DE3324224C2
Application number: DE19833324224
Authority: DE
Inventors: Mathis Baar Ch Halder; Robert Urdorf Ch Hausegger
Original assignee: LGZ Landis and Gyr Zug AG
Current assignee: Siemens Building Technologies AG
Priority date: 1983-06-09
Filing date: 1983-07-05
Publication date: 1990-06-28
Also published as: CH659895A5; DE3324224A1

Description

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 genom men werden muß. Da der Spannungsabfall zur Impedanz des Shunt direkt proportional ist, wirkt sich die Temperaturabhängigkeit des Widerstandsmaterials des Shunts unmittelbar auf die Meßge nauigkeit aus.

Es ist eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt (DE-OS 24 58 319), bei der die über dem Shunt abfal lende Spannung einen nichtinvertierenden Verstärker ansteuert, der einen zum Spannungsabfall proportionalen Strom erzeugt.

Auch bei dieser Anordnung wirkt sich die Temperaturabhängig keit des Shunts unmittelbar auf das Meßresultat aus.

Darüber hinaus ist eine Strommeßanordnung bekannt (DE-OS 28 50 737), die einen Hauptleiter und einen aus zwei Teillei tern bestehenden zugehörigen Meßleiter aufweist. An die Teil leiter ist ein Verstärker angeschlossen. Der Differenzeingang eines Operationsverstärkers und die Teilleiter bilden eine Reihenschaltung. Zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ist ein Rückkopplungswider stand eingeschaltet. Hierbei geht es darum, magnetische Span nungen zu messen, weshalb der Meßleiter vollständig gegenüber dem Hauptleiter elektrisch isoliert ist.

Schließlich ist eine Anordnung bekannt (US-PS 14 46 995), bei der zur Temperaturkompensation an Kontaktstellen zwischen Teil leitern und dem Hauptleiter Kompensationsspulen angeordnet sind, welche die Teilleiter im Abstand vom Hauptleiter halten. Derarti ge Ausbildungen sind, abgesehen von den erforderlichen Kompensa tionsspulen, recht ausladend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache An ordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das erzeugte Abbild des zu messenden Stromes verschiedener Strom arten weitestgehend temperaturunabhängig ist.

Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet. Besondere Aus führungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angege ben.

Der Meßleiter muß nicht vollständig auf der Oberfläche oder in einer Längsnut des Hauptstromleiters angeordnet sein; es genügt, wenn er über den größten Teil seiner Länge dort angeordnet ist, da beispielsweise nach Fig. 1 Teile des Meßleiters vom Hauptstromleiter abgehoben sind, um Kontaktstellen zu Anschlußleitungen zu bilden.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Es zeigt

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 Flach leiter und

Fig. 5 einen Flachleiter im Schnitt.

In der Fig. 1 bedeutet 3 einen Stromteiler, der aus einem Haupt stromleiter 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 Reihen schaltung andererseits sind elektrisch parallel geschaltet. Im dar gestellten Beispiel besteht der Meßleiter 2 aus zwei Teilleitern 2 a und 2 b, 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 Stromleiter 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 Diffe renzeingang 8, 9 des Operationsverstärkers 7 liegt unmittelbar in Reihe mit dem Meßleiter 2. Der Rückkopplungswiderstand 10 ist zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang 8 des Ope rationsverstärkers 7 geschaltet. Eine positive Spannungsquelle 11 und eine negative Spannungsquelle 12 sind einerseits mit dem posi tiven bzw. negativen Speiseanschluß des Operationsverstärkers 7 und andererseits mit dem Bezugspotential 13 des Inversverstär kers 4 sowie mit dem nichtinvertierenden Eingang 9 verbunden. Die Spannung über dem Differenzeingang 8, 9 des Operationsver stärkers 7 ist in der Zeichnung mit U _e und die Ausgangsspannung an Ausgangsklemmen 14, 15, welche mit dem Ausgang des Ope rationsverstärkers 7 bzw. mit dem Bezugspotential 13 verbunden sind, mit U _a bezeichnet.

In der Fig. 2 ist das elektrische Prinzipschaltbild der beschrie benen Meßanordnung dargestellt. Die Impedanz des Hauptstromlei ters 1 ist mit R₁, jene des Meßleiters 2 mit R₂ und jene des Rückkopplungswiderstandes 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 I₁ und I₂ aufgeteilt und verläßt den Stromteiler 3 über den Anschluß 6. Im Hauptstromleiter 1 fließt der Teilstrom I₁. Der Teilstrom I₂ fließt durch den Teilleiter 2 a des Meßleiters 2, den Rückkopplungswiderstand 10, den Opera tionsverstärker 7, die Spannungsquelle 11 bzw. 12 und den Teil leiter 2 b. Infolge der sehr großen Verstärkung des Operationsver stärkers 7 ist die Eingangsspannung U _e praktisch null, so daß das Stromteilerverhältnis I₁ : I₂ nur durch das Widerstandsver hältnis R₁ : R₂ bestimmt ist und nicht dadurch beeinflußt wird, daß in Reihe mit dem Meßleiter 2 ein Verstärker geschaltet ist. Für die Ausgangsspannung U _a gilt

U _a = - R₁₀ · I₂.

Ferner ist

Somit wird die Ausgangsspannung U _a zu

Der Übertragungsfaktor 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 zuein ander beibehalten, sofern sie aus dem gleichen Leitermaterial be stehen und daher ihre Temperaturkoeffizienten gleich groß sind. Die Ausgangsspannung U _a ist daher von der Temperatur des Stromleiters 3 unabhängig.

Bei gleicher Länge des Hauptstromleiters 1 und des Meßleiters 2 ist das Widerstandsverhältnis R₁ : R₂ durch das Verhältnis der Querschnitte der beiden Leiter 1, 2 gegeben. Wird das Widerstands verhältnis R₁ : R₂ beispielsweise 1 : 10⁴ gewählt und ist ein Strom I von z. B. maximal 100 A zu messen, so muß der Inversver stärker 4 für einen Verstärkerstrom von lediglich 10 mA ausgelegt sein.

Wie in der Fig. 3 dargestellt, sind die einander zugewandten Enden der Teilleiter 2 a und 2 b vorteilhaft über gesonderte Leitun gen 16 bis 19 mit dem invertierenden Eingang 8, dem Rückkkopp lungswiderstand 10, dem Bezugspotential 13 und dem nichtinvertie renden 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 gewähr leistet, daß die tatsächliche Spannung über der Schnittstelle des Meßleiters 2 zum Differenzeingang 8, 9 des Operationsverstär kers 7 gelangt und die Eingangspannung U _e nicht durch den 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 dar gestellt, 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 Flachleiters 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 Verbindungs punkt 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 Meßlei ters 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 Haupt stromleiters 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 Haupt stromleiters 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 zwischen 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.

Claims

1. Anordnung zum Messen eines Stromes, mit einem Hauptstrom leiter und einem mit diesem gekoppelten Meßleiter, an den ein Inversverstärker angelegt ist, bei dem der Differenz eingang eines Operationsverstärkers und der Meßleiter eine Reihenschaltung bilden, und bei der ein Rückkopplungswider stand zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers geschaltet ist, dessen nichtin vertierender Eingang das Bezugspotential des Inversver stärkers bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßleiter (2) aus zwei Teilleitern (2 a, 2 b) bestehht und auf der Oberfläche oder in einer Längsnut (25) des Hauptstromleiters (1) - elektrisch gegenüber diesem isoliert - angeordnet ist und daß die äußeren Enden des Meßleiters (2) zur Bildung eines Stromteilers (3) elektrisch jeweils mit dem einen Ende des Hauptstromleiters (1) in Verbindung stehen, während die einander zugewandten Enden der Teilleiter (2 a, 2 b) an den invertierenden Eingang (8) des Operationsverstärkers (7) und den nichtinvertierenden Eingang (9) des Operationsverstärkers (7) angeschlossen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Enden der beiden Teilleiter (2 a, 2 b) je zwei beieinanderliegende Anschlußpunkte (20, 21 bzw. 22, 23) aufweisen und daß - in Stromflußrichtung betrachtet - der erste Anschlußpunkt (20) mit dem inver tierenden 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 Operations verstärkers (7) verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstromleiter (1) ein Flachleiter und der Meß leiter (2) ein Draht ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstromleiter (1) U-förmig ausgebildet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (7) und der Rückkopplungs widerstand (10) auf einem Substrat (27) angeordnet sind und daß das Substrat (27) vier Kontakte aufweist, welche die vier Anschlußpunkte (20 bis 23) des Meßleiters (2) bil den.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstromleiter (1) ein vieladriges Kabel ist, von dessen verseilten oder verflochtenen Adern eine Ader als Meßleiter (2) dient.