DE3905060A1 - Einrichtung zum beruehrungslosen messen eines gleichstroms - Google Patents
Einrichtung zum beruehrungslosen messen eines gleichstromsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum
berührungslosen Messen eines Gleichstroms in einer
Meßzeit mittels eines Halleffektsensors, der in einem
Luftspalt eines Ringmagneten angeordnet ist, wobei ein
den zu messenden Gleichstrom führender Leiter durch den
Ringmagneten hindurchführbar ist.
Eine derartige Einrichtung ist in der Literaturstelle
Siemens, Schaltungen mit Halbleiterbauelementen, Band 2,
4. Auflage, 1970, Seiten 186 bis 189 beschrieben. Dort
ist eine besondere Schaltung zur Erzeugung des für den
Halleffektsensor notwendigen Steuerstroms beschrieben.
Mittels eines Spannungsteilers wird die ohmsche
Nullkomponente der Hallspannung kompensiert.
Mit Einrichtungen der eingangs genannten Art sollen
beispielsweise Batterie-Restladeströme in Starterkreisen
gemessen werden, die für hohe Nennströme, beispielsweise
einige hundert bis einige tausend Ampere, ausgelegt sind,
wie die beispielsweise bei Flugzeugbordnetzen oder
Fahrzeugbordnetzen der Fall ist. Die zu messenden
Batterie-Restladeströme sind wesentlich kleiner als die
Nennströme. Die Restladeströme sind beispielsweise kleiner
als 5 A. Die die zu messenden Gleichströme führenden
Leiter sind auf die genannten hohen Ströme ausgelegt und
dementsprechend stark. Sie lassen sich zu Meßzwecken kaum
in Windungen verlegen.
Es hat sich gezeigt, daß bei bekannten Einrichtungen der
eingangs genannten Art schon bei zu messenden Strömen
unter 50 A im Ringmagneten kein für eine genaue Messung
hinreichend starkes Magnetfeld entsteht, wenn der den
Meßstrom führende Leiter nicht in Windungen um den
Magneten gelegt wird. Den Leiter in Windungen zu legen,
ist jedoch aus dem oben genannten Grund nicht ohne
weiteres möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der
eingangs genannten Art vorzuschlagen, die eine Messung
eines in dem Leiter fließenden Gleichstroms gestattet,
welcher im Vergleich zu dem Nennstrom klein ist, auf den
der Leiter ausgelegt ist, ohne daß der Leiter in
Windungen um den Ringmagneten gelegt werden muß.
Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einer Einrichtung
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der
Ringmagnet eine Kalibrierwicklung trägt, an die außerhalb
von Meßzeiten von einer Steuer- und Auswerteschaltung ein
vorbestimmter Kalibrierstrom gelegt ist, daß die Steuer-
und Auswerteschaltung die auf dem Kalibrierstrom
beruhende Hallspannung des Halleffektsensors und die
Offset-Hallspannung erfaßt, daß die Steuer- und
Auswerteschaltung vor jeder Meßzeit über einen
Impulserzeuger den Ringmagneten auf einen Punkt maximaler
Remanenzinduktion vormagnetisiert und daß die Steuer- und
Auswerteschaltung in der Meßzeit die auf dem zu messenden
Gleichstrom beruhende Hallspannung erfaßt.
Die Steuer- und Auswerteschaltung erfaßt also die auf dem
bekannten Kalibrierstrom beruhende Hallspannung, die
Offset-Hallspannung, die dann auftritt, wenn der Meßstrom
Null ist und die auf dem zu messenden Gleichstrom
beruhende Hallspannung. Aus diesen Größen errechnet die
Steuer- und Auswerteschaltung den durch den Leiter
fließenden Gleichstrom. Das erreichte Meßergebnis ist
auch bei vergleichsweise kleinen Strömen und auch dann,
wenn der Leiter windungsfrei durch den Ringmagneten
gelegt ist, hinreichend genau. Denn bei der Einrichtung
werden Einflüsse der Temperaturdrift und
Exemplarsteuerung einerseits der Offsetspannung und
andererseits des unten näher erläuterten
Proportionalitätsfaktors erfaßt. Außerdem wird durch die
Vormagnetisierung erreicht, daß sich nicht eine ungewisse
Remanenzinduktion auf das Meßergebnis auswirkt. Auch
Alterungserscheinungen werden ausgeglichen.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß der
Kalibrierstrom vor jeder Messung an die Kalibrierwicklung
gelegt wird. Es genügt die Kalibrierung in gewissen
zeitlichen Abständen vorzunehmen. Der Impuls, der den
Ringmagneten in definierter Weise vormagnetisiert, wird
vor jeder Messung angelegt. Wenn der Impulserzeuger den
Ringmagneten vormagnetisiert, ist der Kalibrierstrom
abgeschaltet.
In Ausgestaltung der Erfindung ist der Impulserzeuger an
die Kalibrierwicklung angeschlossen. Dadurch erübrigt
sich eine eigene Wicklung des Ringmagneten für die
Vormagnetisierung. Es ist jedoch auch möglich, für die
Vormagnetisierung den Ringmagneten mit einer zusätzlichen
Wicklung zu versehen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung
zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der Einrichtung und
Fig. 2 die magnetische Hysteresekurve des Ringmagneten.
Ein Ringmagnet (1) weist einen Luftspalt auf, in dem
ein Halleffektsensor (3) angeordnet ist. Der
Halleffektsensor (3) ist ein integriertes Bauteil. Die
Erzeugung seines Steuerstroms ist nicht näher
dargestellt. Die Ausgangs-Hallspannung des
Halleffektsensors (3) ist über einen Verstärker (4) und
einen Analog/Digital-Wandler 5 an eine Steuer- und
Auswerteschaltung (6) angeschlossen, die von einem
Mikroprozessor gebildet ist.
Der Ringmagnet (1) trägt eine Kalibrierwicklung (7) mit n
Windungen. An die Kalibrierwicklung (7) ist eine
Konstantstromquelle (8) angeschlossen, die von dem
Mikroprozessor (6) über eine Leitung (9) ein- und
ausschaltbar ist. Parallel zur Konstantstromquelle (8)
liegt an der Kalibrierwicklung (7) ein Impulserzeuger (10),
der über eine Leitung (11) von dem Mikroprozessor (6) an-
und abschaltbar ist. Der Mikroprozessor (6) schaltet die
beiden Stromquellen (8, 10) nicht gleichzeitig ein.
Durch den Ringmagneten (1) erstreckt sich ein Leiter (12)
windungsfrei, der den zu messenden Strom (I M) führt.
Die am Ausgang des Halleffektsensors (3) infolge eines
Meßstromes (I M) auftretende Hallspannung (U H) folgt der
Beziehung:
U H = U O+k I M′ (1)
wobei U O die Offset-Hallspannung ist, die auftritt, wenn
der Meßstrom (I M) Null ist, und k ein
Proportionalitätsfaktor ist.
Vor einer Messung des Gleichstromes (I M) wird von der
Konstantstromquelle (8) ein - bekannter -
Kalibrierstrom (I K) an die Kalibrierwicklung (7) gelegt. Es
ergibt sich dadurch am Ausgang des Halleffektsensors (3)
eine Kalibrierspannung (U K). Diese wird im
Mikroprozessor (6) zunächst gespeichert. Der
Proportionalitätsfaktor (k) ergibt sich zu:
k = U K/IK n. (2)
Daraus ergibt sich mit obiger Beziehung (1):
I M = (U H-UO) IK n/UK. (3)
Anschließend wird dann auch die Offset-Hallspannung U O im
Mikroprozessor (6) gespeichert.
Durch den Kalibrierstrom (I K) wird der magnetische Kreis
des Ringmagneten (1) undefiniert magnetisiert, so daß die
Remanenzinduktion einen beliebigen Wert zwischen +Br(max)
und -Br(max) (vgl. Fig. 2) einnimmt.
Nach dem Abschalten der Konstantstromquelle (8) wird der
Impulserzeuger (10) eingeschaltet. Dieser gibt nun einen
Stromimpuls auf die Kalibrierwicklung (7). Der Stromimpuls
kann entweder positiv oder negativ sein. Durch den
Stromimpuls wird der magnetische Kreis auf den einen
Punkt maximaler Remanenzinduktion Br(max)
vormagnetisiert, so daß die Arbeitsgerade die Grenzkurve
der Hysterese durch diesen Punkt maximaler
Remanenzinduktion ist (vgl. Fig. 2).
Anschließend wird dann der Meßstrom (I M) eingeschaltet
bzw. der Leiter (12) durch den Ringmagnet (1) geführt und
die dann entstehende Hallspannung (U H) im
Mikroprozessor (6) gespeichert. Im Mikroprozessor (6) sind
auch der Wert des Kalibrierstroms (I K) und die Anzahl n
der Windungen der Kalibrierwicklung (7) gespeichert. Der
Mikroprozessor (6) ermittelt dann aus den Werten U H, UO,
IK, n und U K den fließenden Strom I M entsprechend obiger
Beziehung (3).
Bei der beschriebenen Einrichtung ist eine Kalibrierung
des Zusammenhangs zwischen der Meßgröße (I M) und der
Ausgangsgröße (U H) dadurch erreicht, daß der Meßwert in
Beziehung zu einem auf einem bekannten Meßstrom (I K)
beruhenden Magnetfeld gesetzt ist. Die Temperaturdrift
und die Exemplarsteuerung des Proportionalitätsfaktors
ist ausgeglichen. Durch die Erfassung der Offsetspannung
ist auch deren Temperaturdrift und Exemplarsteuerung
berücksichtigt. Die Remanenz des magnetischen Kreises ist
durch die definierte Vormagnetisierung justiert. Damit
wirken sich auch Alterungserscheinungen kaum auf das
Meßergebnis aus.
Claims (4)
1. Einrichtung zum berührungslosen Messen eines
Gleichstroms in einer Meßzeit mittels eines
Halleffektsensors, der in einem Luftspalt eines
Ringmagneten angeordnet ist, wobei ein den zu messenden
Gleichstrom führender Leiter durch den Ringmagneten
hindurchführbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ringmagnet (1) eine Kalibrierwicklung (7) trägt, an
die außerhalb von Meßzeiten von einer Steuer- und
Auswerteschaltung (6, 8, 10) ein vorbestimmter
Kalibrierstrom gelegt ist, daß die Steuer- und
Auswerteschaltung (6, 8, 10) die auf dem Kalibrierstrom
beruhende Hallspannung des Halleffektsensors (3) und die
Offset-Hallspannung erfaßt, daß die Steuer- und
Auswerteschaltung (6, 8, 10) vor jeder Meßzeit über einen
Impulserzeuger (10) den Ringmagnet (1) auf einen Punkt
maximaler Remanenzinduktion vormagnetisiert und daß die
Steuer- und Auswerteschaltung (6, 8, 10) in der Meßzeit die
auf dem zu messenden Gleichstrom beruhende Hallspannung
erfaßt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Impulserzeuger (10) an die Kalibrierwicklung (7)
angeschlossen ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Impulserzeuger (10) den Ringmagneten (1) wenigstens
nach jedem Einschalten des Kalibrierstromes
vormagnetisiert.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuer- und Auswerteschaltung einen
Mikroprozessor (6) aufweist, der außerhalb der Meßzeit
wechselweise eine Konstantstromquelle (8) und den
Impulserzeuger (10) an die Kalibrierwicklung (7) schaltet.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8331 | Complete revocation |