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Strommeßeinrichtung für Gleichströme
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Die Erfindung betrifft eine Strommeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Solche Strommeßeinrichtungen sind bekannt (z.B. Elektrotechnische
Zeitschrift, 58. Jahrgang, Heft 49, (1937), Seiten 1309 bis 1313; Elektrotechnische
Zeitschrift, 75. Jahrgang, Heft 17, (1954), Seiten 541 bis 547).
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In Stromversorgungen für Geräte der Nachrichtentechnik, beispielsweise
Sendern, müssen Ströme in Leitern mit sehr hohem Spannungspotential gegen Masse
präzise gemessen werden, was bedeutet, daß eine Eichung der Strommessung unerwünscht
ist.
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Üblicherweise wird heute dazu ein sogenannter Isolationsverstärker
verwendet. Dabei wird, wie die Figur 1 zeigt, die stromführende Leitung Ltg über
die der zu erfassende Strom Ja fließt aufgetrennt und der Spannungsabfall an einem
Meßwiderstand RM auf einen potentialmäßig hochliegenden Operationsverstärker Opl
geführt. Dessen Ausgangsspannung wird mittels eines Wandlers W in eine Wechselspannung
der Frequenz f umgeformt, die über einen isolierten Transformator, oder wie Figur
1 zeigt, über einen Lichtwellenleiter LWL unter Zwischenschaltung eines weiteren
Wandler W' auf einen masseseitigen Verstärker, Operationsverstärker Op2, geleitet
wird. Am Ausgang des Operationsverstärkers Op2 erscheint dann eine Spannung Ua,
die proportional zum zu messenden Strom Ja ist. Bis zu Spannungen von 6 bis 8 kV
sind solche Isolationsverstärker als fertige Bausteine zu beziehen. Der Nachteil
bei der Verwendung solcher Verstärker ist die Notwendigkeit einer potentialmäßig
hochliegenden Versorgungsspannung und das Auftrennen der Leitung. Für Spannungen
größer 8 kV muß ein solcher Verstärker aus Einzelelementen aufgebaut sein.
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Aus erstgenannten Druckschriften (ETZ 1937 und ETZ 1954) sind Strommeßeinrichtungen
für Gleichströme bekannt, die aus zwei Steuerdrosseln bestehen, wobei durch die
Primärwicklung der einen Steuerdrossel der zu messende Strom Ja fließt, und die
Sekundärwicklung der einen sowie die Primärwicklung der anderen Steuerdrossel von
einer Hilfswechselspannung beaufschlagt sind derart, daß sich die in den Steuerkreis
induzierten Spannungen gegenseitig aufheben, Nachteilig bei diesen Strommeßeinrichtungen
ist, daß der zu messende Gleichstrom immer durch zwei Kerne geführt werden muß,
bzw. die Primärwicklungen beider Steuerdrosseln bildet. Dies bedeutet ebenfalls
eine Auftrennung der meßstromführenden Leitung bzw. verursacht zumindest zusätzliche
elektrische Streufelder.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Strommeßeinrichtung
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß der meßstromführende
Leiter nicht aufgetrennt werden muß, und Nichtlinearitäten und Temperaturabhängigkeiten
des Kernmaterials von Steuerdrosseln nicht zur Verfälschung des Meßergebnisses führen.
Außerdem soll eine Messung von Strömen mit sehr hohem Spannungspotential ohne Zusatzaufwand
möglich sein.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst. Anspruch 2 enthält eine vorteilhafte Ausgestaltung.
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Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß sich Drifterscheinungen
von Magnetmaterialien als Kerne für Steuerdrosseln nicht ungünstig auf das Meßergebnis
auswirken. Stromwandler zur Übertragung von Gleichströmen sind infolge driftender
Eigenschaften von Magnetmaterialien nur sehr ungenau. Die erste ungünstige Eigenschaft
ist die Abhängigkeit der Permeabilität u von der Temperatur T.
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Fig. 2 zeigt diese Abhängigkeit für ein Ferritmaterial, das bei einer
Betriebsfrequenz der Hilfswechselspannung von 36 KHz brauchbar wäre. Ungünstig ist
dieses Verhalten auch dadurch, daß für verschiedene Aussteuerungen des Kernes verschiedene
Temperaturgänge vorhanden sind. Die zweite ungünstige Eigenschaft ist
die
nichtlineare Abhängigkeit der Permeabilität ii von der Flußdichte B und damit auch
vom zu messenden Strom (Fig. 3).
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Wie Fig. 3 zeigt, ergeben sich im Arbeitsbereich von etwa 0 bis 1000
Gauss verschiedene Steilheiten der Kennlinien in Abhängigkeit von der Temperatur.
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Bei der Erfindung wird folgende Tatsache ausgenutzt: Die Übertragung
des Gleichstromes vom stromführenden Leiter erfolgt über eine Drossel der Induktivität
L mit zwei Wicklungen, wobei der stromführende Leiter mit vorzugsweise einer Windung
die Primärwicklung w1 darstellt. Die Sekundärwicklung w2 ist mit einer Hilfswechselspannung
UO sinkt beaufschlagt und mit einem ohmschen Widerstand R1 als Spannungsteiler beschaltet.
Es gilt
und A = Kernquerschnitt, lm = Eisenweglänge ergibt sich:
Die Spannung am Widerstand R1 ist also linear abhängig von der Permeabilität u.
Für die Permeabilität ii gelten die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Abhängigkeiten.
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Zur Temperaturkompensation werden zwei gepaarte Steuerdrosseln, d.h.
Steuerdrosseln mit gleichen Kerneigenschaften, die mit Impedanzen beschaltet sind
in Brückenanordnung auf einen Differenzverstärker geschaltet. Da beide Kernaussteuerungen
gleich gehalten werden, ergeben sich gleiche Ausgangsspannungen. Ausgangsspannungsänderungen
durch Temperatureinflüsse heben sich auf. Gleiche Aussteuerung wird durch Rückführung
des zu messenden Stromes auf die zweite Steuerdrossel gewonnen. Der Einfluss der
Steuerdrossel ist damit auf die Differenz der Kernpaarung reduziert. Da Ferritkerne
aus dem gleichen Los etwa um 1 % voneinander abweichen, liegt die Meßgenauigkeit
in dieser Größenordnung.
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Anhand der weiteren Figuren wird die Erfindung nun im einzelnen erläutert.
Es zeigen Fig. 4 ein Prinzipschaltbild für die Strommeßeinrichtung nach der Erfindung,
Fig. 5 den Zusammenhang zwischen zu messendem Gleichstrom und Auswertesignal und
Fig. 6 eine Ausgestaltung der Strommeßeinrichtung.
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Das Prinzipschaltbild der Strommeßeinrichtung gemäß Fig. 4 weist 2
Steuerdrosseln Dr1 und Dr2 auf. Die Primärwicklung w1 der Steuerdrossel Dr1 wird
dabei allein durch den nichtunterbrochenen Leiter L gebildet, durch den der zu messende
Gleichstrom Jg fließt. Das Potential für diesen Gleichstrom beträgt 10 kV. Vorzugsweise
wird der Leiter L einfach durch das Kernloch der Steuerdrossel Dr1 gesteckt, so
daß die Primärwicklung w1 nur eine Windung aufweist. In Serie zur Sekundärwicklung
w2 der Steuerdrossel Dr1 liegt eine Impedanz Z1. Ebenso ist in Serie zur Primärwicklung
w3 der Steuerdrossel Dr2 eine Impedanz Z2 angeordnet. Die Impedanzen Z1 und Z2 können
rein ohmisch, induktiv oder kapazitiv sein.
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Für das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 wurde für Z1 ein
ohmscher
Widerstand von 100 Ohm und für Z2 ein ohmscher Widerstand von 68 Ohm gewählt. Die
Sekundärwicklung w2 und die Primärwicklung w3 wird mit einer Hilfswechselspannung
Uh von 2,2 V eff und einer Frequenz von 100 kHz beaufschlagt.
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Der Verbindungspunkt der Sekundärwicklung w2 mit der Impedanz Z1 ist
über einen Spitzenwertgleichrichter, bestehend aus einer Diode G1 und einem Kondensator
C1 an den nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers DV geführt. Ebenso
ist der Verbindungspunkt zwischen der Sekundärwicklung w3 mit der Impedanz Z2 über
den Spitzenwertgleichrichter G2, C2 an den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers
DV angeschlossen. Der Differenzverstärker DV besteht aus einem gegengekoppelten
Operationsverstärker mit einem Gegenkopplungswiderstand Rg von 500 k. Die Richtleiter
G1 und G2 können durch die Basis-Emitterstrecken jeweils eines Transistors, z B.
2N3045, ersetzt werden. Werden diese beiden Transistoren in einen thermischen Kontakt
gebracht, so wirken sich temperaturbedingte Anderungen der Richtleiter nicht nachteilig
auf die Strommessung aus. Der Ausgang des Differenzverstärkers DV ist über einen
Widerstand Rf mit der Sekundärwicklung w4 der Steuerdrossel Dr2 verbunden.
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Der Wicklungssinn der Wicklungen der Steuerdrosseln ist in Fig. 4
durch Punkte gekennzeichnet. Die Rückführung des Ausgangssignals des Differenzverstärkers
DV auf die Sekundärwicklung w4 von Dr2 erfolgt so, daß die Spannung die dem einen
Eingang des Differenzverstärkers DV zugeführt ist, d.h. die Wechselspannung vor
Gleichricht.ung durch Spitzengleichrichter, gegenphasig zu der Spannung ist, die
dem anderen Eingang des Differenzverstärkers DV ebenfalls vor der Spitzenwertgleichrichtung
zugeführt ist. Der Kern der Steuerdrossel Dr2, der mit dem Kern der Steuerdrossel
Drl gepaart ist, befindet sich dadurch so im Rückführungszweig des Differenzverstärkers
DV, daß Nichtlinearitäten und Temperaturabhängigkeiten bei gleicher Aussteuerung
des Kernmaterials ausgeregelt werden. Der Einfluß der Steuerdrosseln auf die Messung
ist damit praktisch auf die Differenz der
Kernpaarung reduziert.
Da Ferritkerne aus dem gleichen Los etwa 1 % voneinander abweichen, liegt die Genauigkeit
der Strommessung auch in dieser Größenordnung.
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Das Auswertesignal wird am Ausgang des Differenzverstärkers DV als
Ausgangsspannung UA abgegriffen. Wie Fig. 5 zeigt, ist der Zusammenhang zwischen
dem zu messenden Strom Jg und dem Auswertesignal - Ausgangsspannung UA des Differenzverstärkers
DV - trotz der Verwendung von Kernen mit rechteckiger Hysterese sehr linear.
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In Fig. 6 ist eine Ausgestaltung der Erfindung dargestellt.
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Bis auf die Bauelemente im Rückführungszwei-g entspricht diese Schaltung
der Strommeßeinrichtung gemäß Fig. 4. Im Rückführungszweig dieser Strommeßeinrichtung
zwischen Ausgang des Differenzverstärkers DV und der Sekundärwicklung w4 der Steuerdrossel
Dr2 ist ein Verstärker V1 angeordnet, dem ausgangsseitig ein Meßwiderstand Rm nachgeschaltet
ist. Die Anschlüsse dieses Meßwiderstandes Rm sind jeweils auf einen Eingang eines
weiteren Verstärkers V2 geführt.
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An dessen Ausgang wird das Auswertesignal - Ausgangsspannung UA -
abgenommen. Diese Ausgestaltung eignet sich für die Messung von sehr kleinen Strömen.
Die gleiche Kernaussteuerung wird wie zuvor durch Rückführung des Ausgangssignales
des Differenzverstärkers DV aus dem zu messenden Strom Jg gewonnen. Die Eingangsspannungen
des Differenzverstärkers DV seien mit U1 und U2 bezeichnet und der Strom im Rückführungskreis
mit Jr. Wird die Stellkennlinie Jg/U1 und Jr/U2 zunächst als linear vorausgesetzt,
gilt: U1 = U2 = M Jg JgeM = U1 ; Jr.ü'M = U2,
wobei ü das Wicklungsverhältnis
der Sekundärwicklung w4 der Steuerdrossel Dr2 und der Primärwicklung w1 der Steuerdrossel
Drl darstellt. Das Wicklungsverhältnis der Sekundärwicklung w2 der Steuerdrossel
Drl und der Primärwicklung w3 der Steuerdrossel Dr2 sei 1.
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Wenn mit V die Verstärkung des Differenzverstärkers und mit K die
Verstärkung des Verstärkers V1 bezeichnet wird, gilt für den geschlossenen Rückführkreis
(U1 - U2) V r K = Jr und damit Jr = Jg.MV'K 1+ü-MY*K Da Ü M V K » 1 ist gilt: Jr
= Jg/ü und
wobei mit H die Verstärkung des weiteren Verstärkers V2 bezeichnet ist. Die Ausgangsspannung
U a ist also bei Vernachlässigung der Differenz der Kernpaarung wiederum linear
abhängig vom zu messenden Gleichstrom Jg. Die Stellkennlinien der Spulen entfallen.
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Ein Anwendungsgebiet der Strommeßeinrichtung nach der Erfindung ist
insbesondere die potentialgetrennte Messung des Kollektorstromes einer Leistungs-Wanderfeldröhre.
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