DE3728912A1 - Messeinrichtung zur messung der elektrischen stromstaerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine die magnetische Wirkung des zu messenden elektrischen Stromes ("Meßstromes") ausnutzende Stromstärke-Meßeinrich­ tung mit periodisch in die Sättigung magnetisierten weichmagnetischen Kernen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, die im folgenden kurz als "Stromsensor" bezeichnet wird.

Bekanntlich gibt es Stromsensoren, die zur Gewinnung des Meßsignals

• 1. das Oberwellenverfahren (z. B. M. Stöckl und K. H. Winterling: Elektrische Meßtechnik, Teubner, Stuttgart, 1968, S. 113-114),
• 2. das Pulshöhenverfahren (z. B. Sutcliffe, Meßtechnik 1970, H. 4, S. 79-83), oder
• 3. das Verfahren mit direkter Zeitverschlüsselung des Meßsignals (Patent P 21 12 315.9),

benutzen. Die Verfahren 1. und 2. haben den Nachteil eines stark nicht­ linearen Verhaltens, erfordern also zur Linearisierung eine Kompensa­ tionseinrichtung. Die Verfahren 1. und 3. sind oberhalb einer Meßstrom­ frequenz von 1 kHz nur sehr bedingt zu gebrauchen. Bei den Verfahren 2. und 3. ändert sich die Phasenlage des Ausgangssignals mit der Amplitude des Meßstroms. Beim Verfahren 3. hängt die Empfindlichkeit von der Fre­ quenz ab.

Diese Nachteile sind dem erfindungsgemäßen Stromsensor mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen nicht zu ei­ gen, wie unten näher erläutert wird.

Der Stromsensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 besteht aus zwei möglichst gleichen koaxial zusammenliegenden Ringkernen aus weichmagne­ tischem und schwach magnetostriktivem Werkstoff, die jeweils, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, eine Primär- und Sekundärwicklung tragen. Die Primärwicklungen N ₁ der beiden Kerne sind gegensinnig parallel geschal­ tet. Sie werden mit Wechselstrom solcher Amplitude gespeist, daß die Ker­ ne zumindest bei fehlendem Meßstrom I _m , periodisch und gegensinnig in Sättigung gefahren werden. Die gegensinnige Erregung dient dabei der ge­ genseitigen Kompensation von Eigenschaftsänderungen etwa durch Änderung der äußeren Temperatur. Der von dem durch das gemeinsame Ringkernfenster gesteckten oder um den Doppel-Ringkern in mehreren Windungen gewickelten Leiter geführte Meßstrom I _m (s. Fig. 1) erregt die beiden Kerne gleichsin­ nig. Bei den o. g. bekannten Verfahren wird dann die durch den Meßstrom hervorgerufene amplitudenmäßige oder zeitliche Unsymmetrie des Signals an der Sekundärwicklung, teilweise auch die zeitliche Unsymmetrie des Primärstromes, als Meßgröße benutzt.

Die Kerne des erfindungsgemäßen Stromsensors, wie dieser im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 beschrieben ist, müssen, anders als die Kerne bei dem o. g. bekannten Verfahren 1., 2. und 3., eine rechteckförmige dynamische Hystereseschleife aufweisen. Die Kerne werden hier beim periodischen Ummagnetisieren stets, auch bei Anwesenheit eines Meßstromes, bipolar in Sättigung gefahren. Die Spannungsquelle zur Erregung der Kerne muß eine im Vergleich zum angeschlossenen Verbraucher niedrige Impedanz haben, der zeitliche Verlauf der Spannung U _a kann, wie hier (s. auch Fig. 3a), sinusförmig sein oder aber von irgendeiner anderen Form sein. Fig. 2 verdeutlicht die Wirkung des Meßstrom-Magnetfeldes, die in einer gegensinnigen Verschiebung der Hystereseschleifen der beiden Kerne besteht. Der wesentliche Punkt der Erfindung ist nun die Benutzung der Verschiebungsdifferenz beider Hystereseschleifen, in Fig. 2 als Δ H _c bezeichnet, als Meßgröße. Wenn diese Größe genau zur Zeit des Nulldurchgangs der über beide Kerne gemittelten magnetischen Induktion gemessen wird, so weist der Sensor, experimentell nachweisbar wie auch theoretisch erklärbar, ein besonders lineares Verhalten und geringe Beeinflussung durch Temperaturschwankungen und Änderungen der Erregungsamplitude auf.

Zur Ermittlung des Zeitpunktes des periodischen Induktions-Nulldurch­ ganges werden die Sekundärwicklungen des erfindungsgemäßen Stromsensors über die Widerstände R ₂ parallel geschaltet, um die den Sekundärspannun­ gen U ₂ (s. auch Fig. 3c und e) proportionalen Ströme zu addieren, die Sum­ me mit Hilfe des Integrators (2) zu integrieren und so den Mittelwert der magnetischen Induktion (s. auch Fig. 3h) in den beiden Kernen zu er­ halten, dessen Nulldurchgänge sich bezüglich ihres Zeitpunktes als unab­ hängig von einem die Wicklung N _c erregenden Meßstrom erweisen. Die Erfin­ dung besteht weiterhin darin, daß aus diesen Nulldurchgängen mit Hilfe eines Komparators (3) und eines Multivibrators (4) ein Impuls (s. auch Fig. 3j) zur Auslösung des Abtast- und Haltekreises S/H (5) abgeleitet wird.

Zur Messung der erfindungsgemäß zur Stromstärke-Bestimmung herangezoge­ nen Verschiebungsdifferenz Δ H _c werden die den beiden Primärströmen I (s. auch Fig. 3d) proportionalen Spannungen an den Widerständen R ₁ dem Differentialverstärker (6) zugeführt, wobei von der mit dem Durchflu­ tungsgesetz beschriebenen Tatsache Gebrauch gemacht wird, daß bei Ring­ kernen aus homogenem Material und mit homogenem Querschnitt die Erreger­ stromstärke der magnetischen Feldstärke im Kern proportional ist. Damit liegt eine der zeitabhängigen Differenz Δ I (s. auch Fig. 3f) der Erreger­ stromstärken der beiden Kerne proportionale Spannung am Eingang des Ab­ tast- und Haltekreises (6), die somit zu den durch die oben erläuterten Auslöseimpulse festgelegten Zeitpunkten abgetastet wird. Am Ausgang des Abtast- und Haltekreises (6) steht dann eine Spannung U _o zur Verfügung, die der Meßstromstärke I _m proportional ist, die somit periodisch, und zwar genau einmal je Magnetisierungsperiode, gemessen wird. Die Propor­ tionalitätskontrolle zwischen U _o und I _m ist durch eine Kalibrier-Messung z. B. mit Gleichstrom zu ermitteln.

Der wirtschaftliche und technische Nutzen der oben beschriebenen Erfin­ dung liegt in folgendem:

Mit einer Erregerfrequenz von 100 kHz - dies ist gleichbedeutend mit ei­ ner Frequenz der Abtastung des zu messenden Stromes von 100 kHz - lassen sich Meßströme mit Frequenzen bis zu f _m = 10 kHz messen. Damit ist der Sensor zur Erfassung transienter Vorgänge geeignet. Dieses Verhalten de­ monstrieren auch die Meßbeispiele der Fig. 4 eines Rechteckstromes und eines sinusförmigen Stromes mit Frequenzen von 1 kHz beziehungsweise 5 kHz. Der Sensor ist somit im Frequenzbereich f _m = 0 Hz bis f _m = 10 kHz zur phasenrichtigen Messung der elektrischen Stromstärke einsetzbar.

Zur Verdeutlichung der Linearität des erfindungsgemäßen Stromsensors ist in Fig. 5 ein Meßbeispiel wiedergegeben.

Claims (5)

1. Meßeinrichtung zur Messung der elektrischen Stromstärke unter Ausnut­ zung der magnetischen Wirkung des zu messenden elektrischen Stromes, unter Verwendung zweier weichmagnetischer, unmittelbar nebeneinander und koaxial angeordneter, möglichst gleicher Ringkerne mit je einer Primärwicklung zur periodischen, durch die antiparallele Schaltung dieser beiden Wicklungen zueinander gegensinnigen magnetischen Erregung der beiden Ringkerne und mit je einer Sekundärwicklung zur Erzeugung einer Spannung, die der zeitlichen Flußänderung in dem jeweiligen Ringkern proportional ist, und unter Verwen­ dung eines den zu messenden elektrischen Strom führenden Leiters, der entwe­ der nur einmal durch das gemeinsame Fenster der beiden Ringkerne gesteckt oder als Wicklung mit mehreren Windungen auf den aus beiden Ringkernen ge­ bildeten Ring durch das Fenster hindurch gewickelt ist, so daß der zu mes­ sende Strom die beiden Ringkerne zusätzlich und gleichsinnig erregt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ringker­ ne eine möglichst rechteckige dynamische Hystereseschleife aufweisen, daß in an sich bekannter Weise eine Wechselspannungsquelle mit im Vergleich zu den angeschlossenen Verbrauchern niedriger Impedanz für die Primärspannung (U _a ) benutzt wird, daß die Primärspannung genügend hoch ist, um die bei­ den Ringkerne auch dann, wenn die höchste zu messende Stromstärke vorliegt, bipolar bis in die Sättigung zu magnetisieren, daß ein Widerstand (R ₂) in Reihe mit der Sekundärwicklung jedes Ringkerns, die Parallelschaltung der beiden jeweils aus der Sekundärwicklung eines Ringkerns und dem in Reihe geschalteten Widerstand (R ₂) bestehenden Zweige zur Aufsummierung der den zeitlichen Änderungen der magnetischen Flüsse in den Ringkernen proportiona­ len Stromstärken und ein nachfolgender Integrator (2) vorgesehen sind, daß aus dem somit am Ausgang des Integrators (2) abgreifbaren, dem Mittelwert der magnetischen Induktion in den beiden Ringkernen proportionalen Spannungs­ signal, dessen Nulldurchgänge zeitlich nicht von der für beide Ringkerne gleichsinnigen, vom Meßstrom (I _m ) eingebrachten Erregungskomponente abhän­ gen, unter Verwendung eines Komparators (3) und eines Multivibrators (4) ein Impuls zur Auslösung des mit diesem Impuls angesteuerten Abtast- und Haltekreises erzeugt wird, daß als die der zu messenden Stromstärke propor­ tionale Größe die mit einem Differentialverstärker (6) gebildete Differenz der an den Widerständen (R ₁) abzugreifenden, den beiden Primärströmen pro­ portionalen Spannungen dem Eingang des bereits obenerwähnten Abtast- und Haltekreises (6) zugeführt wird und daß somit die Ausgangsspannung (U _o ) des Abtast- und Haltekreises (6) die periodisch mit der Frequenz der Erreger­ spannung (U _a ) abgetastete, zu messende Stromstärke bis auf einen durch eine Kalibriermessung zu ermittelnden Faktor darstellt.

2. Meßeinrichtung zur Messung der elektrischen Stromstärke nach Anspruch 1 unter Verwendung einer Spannungsquelle (U _a ) für die Erregung, deren Spannung periodisch und von beliebiger Form ist.

3. Meßeinrichtung zur Messung der elektrischen Stromstärke nach Anspruch 1 unter Verwendung einer Spannungsquelle (U _a ) für die Erregung, deren Spannung sinusförmig ist.

4. Meßeinrichtung zur Messung der elektrischen Stromstärke nach Anspruch 1 unter Verwendung eines Differenziergliedes anstelle des Integrators (6).

5. Meßeinrichtung zur Messung der elektrischen Stromstärke nach Anspruch 1 unter Verwendung einer unmittelbaren Reihenschaltung der Sekundärwicklungen (N ₂) der Ringkerne zur Summierung der Sekundärspannungen anstelle der Strom­ summierung über die Widerstände (R ₂).