DE3626328A1 - Device for the potential-isolated measurement value detection of alternating currents - Google Patents

Device for the potential-isolated measurement value detection of alternating currents

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Abstract

In this device, a conductor track loop (3) is arranged in the area of the force field of a conductor (1) through which current flows, on an insulating substrate surface (2). When the lines of force (4) flow through the conductor track loop (3), an induced current (IL) is impressed in it which acts directly on the circuit arrangement (5). The circuit arrangement (5) generates a voltage (UL) proportional to the impressed current (IL) of the conductor track loop (3). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur potential­ getrennten Meßwerterfassung von Wechselströmen, ins­ besondere für Stromschienensysteme und Leistungs­ schalter, bestehend aus einer auf einem isolierenden Substrat aufgebrachte Schaltungsanordnung, die vorzugs­ weise mit Operationsverstärkern aufgebaut ist.The invention relates to a device for potential separate measurement of AC currents, ins especially for track systems and performance switch consisting of one on an insulating Substrate applied circuit arrangement, the preferential is constructed with operational amplifiers.

Meßwerterfassungen von Wechselströmen werden nach dem Stand der Technik mit Stromwandler, Hall-Generato­ ren oder Hall-Widerstände realisiert. Stromwandler sind bei hochohmigen Abschluß, z.B: durch eine elek­ tronische Auswerteschaltung, -Wandler und sind durch Überbewertung der Oberwellenanteile frequenz­ abhängig.Measured value acquisitions of alternating currents are implemented according to the prior art with current transformers, Hall generators or Hall resistors. Current transformers are at high-impedance termination, for example : by an electronic evaluation circuit, converter and are frequency dependent due to overvaluation of the harmonic components.

Hall-Generatoren und Hall-Widerstände sind nicht­ lineare und temperaturabhängige Bauelemente. Diese Eigenschaften führen zu Meßwertverfälschungen. Alle drei vorgenannten Lösungen sind aufwendig und teuer.Hall generators and Hall resistors are not linear and temperature-dependent components. These properties lead to falsified measurements. All three of the above solutions are complex and expensive.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine prä­ zise, d.h. temperatur- und frequenzunabhängige Meß­ werterfassung von Wechselströmen zu schaffen, die durch Aufbau mit einfachen Mitteln eine wirtschaft­ liche Lösung darstellt.The invention has for its object a pre zise, i.e. temperature and frequency independent measurement value acquisition of alternating currents to create the an economy by building up with simple means represents solution.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem elektromagnetischen Kraftfeldbereich des stromdurchflossenen Leiters, auf einer isolierenden Substratfläche, eine Leiterbahnschleife angeordnet ist, welcher bei Durchflutung der Kraftlinien ein induzierter Strom eingeprägt wird, der direkt auf die Schaltungsanordnung einwirkt, und daß die Schal­ tungsanordnung an ihrem Ausgang eine, dem eingeprägten Strom der Leiterbahnschleife, proportionale Spannung erzeugt.According to the invention, this object is achieved by that in the electromagnetic force field range of current-carrying conductor, on an insulating Substrate area, a conductor track loop arranged which is when the lines of force are flooded induced current is impressed directly on  the circuit arrangement acts, and that the scarf at their exit one, the embossed Conductor loop current, proportional voltage generated.

In den Ansprüchen 2 bis 7 sind vorteilhafte Weiterbil­ dungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur poten­ tialgetrennten Meßwerterfassung von Wechselströmen gekennzeichnet.In the claims 2 to 7 are advantageous further training poten of the device according to the invention tially separated measurement value acquisition of alternating currents featured.

Dabei ist nach Anspruch 2 von besonderem Vorteil, daß die Leiterbahnschleife aus mehreren Windungen bestehen kann und nach Anspruch 3, daß die Schaltungs­ anordnung mit Differenzverstärker ausgeführt ist.It is of particular advantage according to claim 2 that the conductor loop consists of several turns can exist and according to claim 3 that the circuit arrangement with differential amplifier is executed.

Weiterhin ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Vorteil, gemäß Anspruch 4 bis 6, daß die isolie­ rende Substratfläche aus Keramik oder Leiterplatten­ material (PCB) besteht, und daß die Schaltungsanordnung auf der isolierenden Substratfläche in Back-Plane- Technik ausgeführt ist.Furthermore, it is in the device according to the invention of advantage, according to claims 4 to 6, that the isolie Ceramic or printed circuit substrate surface material (PCB), and that the circuitry on the insulating substrate surface in back-plane Technology is executed.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es auch vorteil­ haft, daß, wie in Anspruch 7 gekennzeichnet, die Schaltungsanordnung für mehrere verschiedene Phasen ausgelegt werden kann.It is also advantageous in the solution according to the invention liable that, as characterized in claim 7, the Circuit arrangement for several different phases can be interpreted.

In der Zeichnung sind beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur potentialge­ trennten Meßwerterfassung von Wechselströmen darge­ stellt. Exemplary embodiments are shown in the drawing the device according to the invention for potential separated measured value acquisition from alternating currents Darge poses.  

Im einzelnen zeigen:In detail show:

Fig. 1 eine prinzipielle Anordnung der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung zum stromdurchflossenen Leiter. Fig. 1 shows a basic arrangement of the device according to the Invention for the current-carrying conductor.

Fig. 2 eine Leiterbahnschleife nach der Erfindung mit mehreren Windungen. Fig. 2 is a conductor track loop according to the invention with several turns.

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Fig. 3 is a schematic diagram of the device according to the invention.

Fig. 4 die isolierende Substratfläche mit der Leiter­ bahnschleife und der Schaltungsanordnung. Fig. 4 shows the insulating substrate surface with the conductor loop and the circuit arrangement.

Fig. 5 die Rückseite der isolierenden Substratfläche. Fig. 5 shows the back of the insulating substrate surface.

Fig. 1 stellt eine prinzipielle Anordnung der er­ findungsgemäßen Vorrichtung zum stromdurchflossenen Leiter 1 dar. Fig. 1 shows a basic arrangement of the inventive device for the current-carrying conductor 1 .

Auf der isolierenden Substratfläche 2 ist eine Leiter­ bahnschleife 3 und eine Schaltungsanordnung 5 ange­ ordnet. Die isolierende Substratfläche 2 ist zweck­ mäßigerweise in vertikaler Richtung zum stromdurch­ flossenen Leiter 1 räumlich so plaziert, daß die im Kraftfeld A auftretenden elektromagnetischen Kraft­ linien 4 die Leiterbahnschleife 3 durchfluten. Hier­ durch wird der Leiterbahnschleife 3 ein induzierter Strom I L eingeprägt, der direkt auf die Schaltungs­ anordnung 5 mit einem Eingangswiderstand von Ri ≠ 0 einwirkt. Die Schaltungsanordnung 5 ist wie aus Fig. 3 ersichtlich vorzugsweise mit Differenzverstärkern D nach bekannten Schaltungsprinzipien aufgebaut. Die Schaltungsanordnung 5 ist so dimensioniert, daß der Ausgang 7 der Schaltungsanordnung 5 eine Spannung U L erzeugt die proportional dem, der Leiterbahnspule 3, eingeprägten Strom ist. On the insulating substrate surface 2 , a conductor path loop 3 and a circuit arrangement 5 is arranged. The insulating substrate surface 2 is expediently placed in the vertical direction to the conductor 1 through which current flows so that the electromagnetic force lines 4 occurring in the force field A flood the conductor loop 3 . Here through the conductor track loop 3, an induced current I L is impressed, which acts directly on the circuit arrangement 5 with an input resistance of Ri ≠ 0. As can be seen from FIG. 3, the circuit arrangement 5 is preferably constructed with differential amplifiers D according to known circuit principles. The circuit arrangement 5 is dimensioned such that the output 7 of the circuit arrangement 5 generates a voltage U L which is proportional to the current impressed on the conductor track coil 3 .

Der induziert eingeprägte Strom I L der Leiterbahn­ spule 3 ist von der Konzentration der ihr durchflu­ tenden elektromagnetischen Kraftlinien 4 und von der Dimension der Leiterbahnspule 3 abhängig. Die Konzentration der elektromagnetischen Kraftlinien 4 setzt sich aus den Komponenten der Stromstärke im stromdurchflossenen Leiter 1 und der räumlichen Di­ stanz 2 der Leiterbahnspule 3 zum stromdurchflossenen Leiter zusammen.The induced current I L of the conductor coil 3 is dependent on the concentration of the electromagnetic force lines 4 flowing through it and on the dimension of the conductor coil 3 . The concentration of the electromagnetic lines of force 4 is composed of the components of the current intensity in the current-carrying conductor 1 and the spatial distance 2 of the conductor coil 3 to the current-carrying conductor.

Wie in Fig. 2 ersichtlich, kann die Leiterbahnspule 3 auch mehrere Windungen n aufweisen. Hierdurch werden auch die Platzanforderunen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich reduziert.As can be seen in FIG. 2, the conductor track coil 3 can also have a plurality of turns n . This also significantly reduces the space requirements of the device according to the invention.

Zur genauen Justierung des Verhältnisses eingeprägter Strom I L zur Ausgangsspannung U L befindet sich in der Schaltungsanordnung 5 ein Potentiometer R. Hiermit wird die Amplitude der Ausgangsspannung U L verändert. Beispielsweise könnte für eine Stromstärke von 1000 A im stromdurchflossenen Leiter 1 eine Ausgangsspan­ nung U L von 1 V eingestellt werden.A potentiometer R is located in circuit arrangement 5 for the exact adjustment of the ratio of impressed current I L to output voltage U L. This changes the amplitude of the output voltage U L. For example, an output voltage U L of 1 V could be set for a current of 1000 A in the current-carrying conductor 1 .

Zur Vermeidung vom Meßwert verfälschenden kapazitiven Einstreuungen wird die isolierende Substratfläche 2 mit der Leiterbahnspule 3 und der Schaltungsanordnung 5 (Fig. 4) zweckmäßigerweise, wie in Fig. 5 ersichtlich, in Back-Plane-Technik ausgeführt. In order to avoid capacitive interferences falsifying the measured value, the insulating substrate surface 2 with the conductor track coil 3 and the circuit arrangement 5 ( FIG. 4) is expediently carried out, as can be seen in FIG. 5, using back-plane technology.

Zur Sicherheit gegen kapazitive Störeinflüsse kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem nicht ferromagnetischen Schutzblech, z. B. Aluminiumblech, ummantelt werden.To protect against capacitive interference the device according to the invention with a ferromagnetic mudguard, e.g. B. aluminum sheet, to be encased.

Mit der Erfindung wurde die Möglichkeit geschaffen, bei geringem Bauteilebedarf und Materialaufwand eine hochpräzise Meßwerterfassung von Wechselströmen zu schaffen. Die kleine Bauweise erlaubt das gleichzei­ tige Erfassen von Wechselstromwerten, z. B. in einem Leistungsschalter oder in einem Stromschienensystem, an allen Phasen.With the invention, the possibility was created with low component requirements and material expenditure high-precision measurement of AC currents to accomplish. The small design allows this at the same time term acquisition of AC values, e.g. B. in one Circuit breaker or in a busbar system, at all phases.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist frequenzunab­ hängig, störsicher und in weitem Bereich temperatur­ unabhängig.The device according to the invention is frequency-independent dependent, interference-free and temperature in a wide range independently.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur potentialgetrennten Meßwerterfassung von Wechselströmen, insbesondere für Stromschienen­ systeme und Leistungsschalter, bestehend aus einer auf einem isolierenden Substrat aufgebrachte Schal­ tungsanordnung, die vorzugsweise mit Operations­ verstärkern aufgebaut ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in dem elektromag­ netischen Kraftfeldbereich (A) des stromdurch­ flossenen Leiters (1), auf einer isolierenden Substratfläche (2) eine Leiterbahnschleife (3) angeordnet ist, welcher bei Durchflutung der Kraft­ linien (4) ein induzierter Strom (I L ) eingeprägt wird, der direkt auf die Schaltungsanordnung (5) einwirkt, und daß die Schaltungsanordnung (5) an ihrem Ausgang (7) eine, dem eingeprägten Strom (I L ) der Leiterbahnschleife (3), proportionale Spannung (U L ) erzeugt.1. Device for electrically isolated measurement of alternating currents, in particular for busbar systems and circuit breakers, consisting of an applied to an insulating substrate scarf arrangement, which is preferably constructed with operational amplifiers, characterized in that in the electromagetic force field region ( A ) of the current through carrying conductor (1) is arranged on an insulating substrate surface (2) a conductor loop (3) which in flooding of the power lines (4), an induced current (I L) is impressed, which acts directly on the circuit arrangement (5), and that the circuit arrangement (5), the impressed current (I L) is generated at its output (7) of the conductor loop (3), proportional voltage (U L). 2. Vorrichtung zur potentialgetrennten Meßwerterfas­ sung von Wechselströmen nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnschleife (3) aus mehreren Windun­ gen (n) bestehen kann (Fig. 2).2. Device for electrically isolated measurement value measurement of alternating currents according to claim 1, characterized in that the conductor track loop ( 3 ) can consist of several conditions ( n ) ( Fig. 2). 3. Vorrichtung zur potentialgetrennten Meßwerterfassung von Wechselströmen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (5) mit Differenz­ verstärker (D) ausgeführt ist (Fig. 3). 3. Device for electrically isolated measurement of alternating currents according to claims 1 and 2, characterized in that the circuit arrangement ( 5 ) is designed with a differential amplifier ( D ) ( Fig. 3). 4. Vorrichtung zur potentialgetrennten Meßwerter­ fassung von Wechselströmen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schaltungsanordnung (5) auf einem Keramiksubstrat ausgeführt ist.4. Device for electrically isolated measurement of alternating currents according to claims 1 to 3, characterized in that the circuit arrangement ( 5 ) is carried out on a ceramic substrate. 5. Vorrichtung zur potentialgetrennten Meßwerterfas­ sung von Wechselströmen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schaltungsanordnung (5) auf Lei­ terplattenmaterial (PCB) ausgeführt ist.5. Apparatus for electrically isolated measurement value determination of alternating currents according to claims 1 to 3, characterized in that the circuit arrangement ( 5 ) on Lei terplattenmaterial (PCB) is executed. 6. Vorrichtung zur potentialgetrennten Meßwert­ erfassung von Wechselströmen nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die isolierende Substratfläche (2) mit der Schaltungsanordnung (5) in Back Plane Technik ausgeführt ist (Fig. 5).6. Device for electrically isolated measured value detection of alternating currents according to claims 1 to 5, characterized in that the insulating substrate surface ( 2 ) with the circuit arrangement ( 5 ) is carried out in back plane technology ( Fig. 5). 7. Vorrichtung zur potentialgetrennten Meßwerter­ fassung von Wechselströmen nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schaltungsanordnung (5) für mehrere verschiedene Phasen ausgelegt werden kann.7. Device for electrically isolated measurement of alternating currents according to claims 1 to 6, characterized in that the circuit arrangement ( 5 ) can be designed for several different phases.
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