DE3940932A1 - Messwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßwandler gemäß dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Ein derartiger Meßwandler ist bekannt aus LUEGER, Lexikon der Technik, Band 4, Seite 304, deutsche Verlangsanstalt Stutt­ gart, 1962. Der bekannte Meßwandler dient zur Messung kleiner magnetischer Feldstärken und wird als FÖRSTER-Sonde bezeich­ net. Er enthält zwei stabförmige, parallel zueinander an­ geordnete Sensorkerne aus einem Material hoher Permeabilität, auf welchen Modulationsspulen angeordnet sind. Diese Modula­ tionsspulen werden von einem Modulations-Wechselstrom durch­ flossen und sind derart auf den Sensorkernen angeordnet, daß ein durch jene fließender Modulationsstrom bei den Sensorker­ nen eine einander entgegengerichtete Magnetisierung erzeugt. Ein zusätzliches äußeres Magnetfeld bewirkt in dem einen Sensorkern eine Verstärkung und in dem anderen eine Schwä­ chung der Magnetisierung, wobei die Sättigungsmagnetisierung der beiden Sensorkerne nicht gleichzeitig erreicht wird. Auf den Sensorkernen ist eine Detektionswicklung angeordnet, mittels welcher die Summe der zeitlichen Flußänderungen in den beiden Sensorkernen erfaßt wird. Aufgrund der unter­ schiedlichen Magnetisierung der Sensorkerne entsteht eine Phasenverschiebung derart, daß die durch die Sensorkerne induzierte Sekundärspannung der Detektionswicklung unsymme­ trisch ist. Die resultierende Sekundärspannung beider Sen­ sorkerne kann an der Detektionswicklung abgegriffen werden. Sie entspricht der Summe der zeitlichen Flußänderungen der Sensorkerne und ist damit ein Maß für das äußere Magnetfeld. Nach Verstärkung kann nach einem als Filtermethode bezeich­ neten Verfahren durch Filterung und phasenrichtige Gleich­ richtung der doppelten Modulationsfrequenz ein dem Magnetfeld entsprechendes Signal erzeugt werden. Die phasenrichtige Gleichrichtung erfordert jedoch temperaturstabile und folg­ lich aufwendige Filter. Desweiteren ergeben sich Grenzen hinsichtlich der maximalen Meßfrequenz, aufgrund der bei einem Bandpaß hoher Güte zu berücksichtigenden Einschwing­ zeit. Des weiteren führen fertigungsbedingte Abweichungen der Magnetisierungskennlinien beider Sensorkerne bei der Filter­ methode zu einer nachteiligen Beeinträchtigung der Meßgenau­ igkeit, zumal alle Abweichungen kontinuierlich einwirken.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Meßwandler derart auszubilden, daß mit hoher Genauigkeit eine potentialgetrennte, gleichzeitige Messung von Gleich- und Wechselströmen durchführbar ist. Es sollen einfache elektronische Mittel zum Einsatz gelangen, um mit hoher Genauigkeit den Meßstrom in eine, insbesondere proportionale, elektrische Größe umzuformen. Ein Temperatureinfluß oder Einwirkungen aufgrund einer magnetischen Alterung der Sen­ sorkerne sollen weitgehend ausgeschlossen werden und/oder mit einfachen Mitteln kompensiert werden können. Nichtlineari­ täten sollen ohne besonderen Aufwand zuverlässig kompensiert werden können und eine hohe Meßdynamik soll erreicht werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Meßwandler zeichnet sich durch einen einfachen und funktionssicheren Aufbau aus und ermöglicht zuverlässig die potentialgetrennte, gleichzeitige Messung von Gleich- und Wechselströmen. Der Meßwandler kann bevorzugt zur Messung kleiner Meßströme zum Einsatz gelangen und er ermöglicht im wesentlichen rückwirkungsfrei die Strommessung in Stromkreisen auch mit geringer Impedanz. Der für Gleichstrom ebenso wie für Wechselstrommessungen geeig­ nete Meßwandler gelangt ganz allgemein zur Messung von Strömen elektrisch geladener Teilchen zum Einsatz. Die beiden Sensorkerne aus weichmagnetischem Material umschließen einen Meßstromleiter. Der Meßstromleiter kann in einfacher Weise durch den Sensor bzw. die beiden weichmagnetischen Kerne mit den Modulationswicklungen hindurchgeführt werden. Ferner können die Sensorkerne auch nach Art eines Zangenstromum­ formers ausgebildet werden, mit welchem ein vorhandener Meßstromleiter umgriffen werden kann. Besonders zweckmäßig ist eine Linearführung der Teile der Sensorkerne, um repro­ duzierbare Bedingungen zu gewährleisten. Die Sensorkerne werden im besonderen aus einem amorphen Metall gefertigt, welches durch seine geringen Ummagnetisierungsverluste, kleine Magnetostriktion, hohe Permeabilität und reduzierte Barkhausensprünge ausgezeichnet ist. Der Werkstoff eignet sich in Randform vorzugsweise dazu, zu einem magnetisch geschlossenen Kern aufgewickelt zu werden, oder durch Stapeln von Formteilen Kerne oder Kernteile herzustellen, wodurch bei elektrischer Isolation der Lagen Wirbelstromverluste reduziert werden. Zweckmäßigerweise werden die Wickel oder Stapel elektrisch isolierend vergossen, um eine Fixierung zu erzielen. Der Modulationsstrom bewirkt in den beiden den Meßstromleiter umgreifenden Sensorkernen eine entgegengerich­ tete Magnetisierung und von der Detektionswicklung der beiden Sensorkerne wird die Summe der zeitlichen Flußänderungen der umschlossenen Kerne als Signal erfaßt und an ein Auswer­ teglied weitergeleitet, welches bevorzugt als ein Abtast- Halteglied ausgebildet ist. Wesentlich ist, daß der Modula­ tionsstrom symmetrisch ist und die Hysteresekurven der beiden Sensorkerne bis weit in die Sättigung durchläuft. Somit steht an der Detektionswicklung eine periodische Folge von Span­ nungsimpulsen an, deren von der Größe und Richtung des Meßstromes abhängige Amplitude von dem Auswerteglied erfaßt wird. Durch Ausbildung des Auswertegliedes als ein Abtast- Halteglied, dessen Abtast-Impulse von der Modulationsfrequenz des Modulationsstromes abgeleitet werden, wird die Amplitude der genannten Spannungsimpulse erfaßt und gespeichert.

Weiterbildungen und besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden ferner nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Bild 1 eine schematische Anordnung des Meßwandlers,

Bild 2 ein Blockschaltbild,

Bild 3 einen Signalflußplan.

Der im Bild 1 dargestellte Meßwandler für Gleich- und Wech­ selströme enthält zwei magnetisch geschlossene weichmag­ netische Sensorkerne S1, S2, welche hier der Einfachheit halber nur als gerade Linien angedeutet sind. Die Sensorkerne S1, S2 sind Ringkerne, durch welche der elektrische Leiter L für den zu messenden Strom I durchgeführt ist. Des weiteren können im Rahmen der Erfindung die Sensorkerne S1, S2 auch mehrteilig derart ausgebildet sein, daß sie ähnlich einer Zange geöffnet und über den Leiter L geschoben werden können, um nachfolgend wieder geschlossen zu werden. Um die Sen­ sorkerne S1, S2 ist jeweils eine Modulationswicklung M1, M2 gewickelt, und zwar mit entgegesetztem Wicklungssinn, so daß, ein durch diese Modulationswicklungen M1, M2 fließender Modulationsstrom eine entgegengerichtete Magnetisierung erzeugt. Desweiteren ist eine gemeinsame Detektionswicklung D zusammen über beide Sensorkerne S1 und S2 gewickelt. Schließlich ist beiden Sensorkernen S1, S2 eine gemeinsame Kompensationswicklung zugeordnet.

Anstelle des durch einen Leiter fließenden elektrischen Stromes können im Rahmen dieser Erfindung Ströme elektrisch geladener Teilchen gemessen werden, welche entsprechende Magnetflüsse bewirken.

Der Leiter L ist potentialfrei durch die Öffnung der mag­ netisch geschlossenen Sensorkerne S1, S2 geführt. Alternativ können die Kerne zangenartig ausgebildet werden, wobei die magnetischen Kreise trennbar sind und die erwähnten Wicklun­ gen entsprechend auf den verschiedenen Teilen der Sensorkerne angeordnet werden. Bei dieser besonderen Ausführungsform sind nach dem Schließen der Zange die magnetische Kreise der Sensorkerne wieder geschlossen. Desweiteren können die Detektionswicklung und die Kompensationswicklung in eine einzige Wicklung zusammengefaßt werden, wobei durch den Einsatz einer geeignet ausgebildeten Elektronik, einerseits das der Detektionswicklung entnehmbare Signal erfaßt und andererseits der Kompensationswicklung der erforderliche Strom zugeführt wird. Ferner kann der Leiter L auch in mehreren Windungen die beiden Sensorkerne umschlingen; ist der Leiter L nur einmal durch die Öffnung der Sensorkerne hindurchgeführt, so ist nur eine einzige "Windung" vorhanden.

Bild 2 zeigt ein Blockschaltbild des Meßwandlers, wobei mit den Ziffern 1 bis 7 die Signale angegeben sind, welche im Signalflußplan des Bildes 3 mit den gleichen Ziffern bezeich­ net sind. Die Modulationswicklungen M1, M2 werden von einem erfindungsgemäß symmetrischen Modulationsstrom derart durch­ flossen, daß die Durchflutungsrichtung der beiden Sensorkerne S1, S2 entgegengesetzt ist. Wesentlich ist, daß die Hystere­ sekurven der beiden Sensorkerne S1, S2 bis weit in die Sättigung durchlaufen werden. Den Modulationswicklungen M1, M2 ist ein Modulationstromformer 10 vorgeschaltet, welcher insbesondere nach einem nichtlinearen, parallelresonanten Modulationsverfahren arbeitet. Dieser Modulationsstromformer 10 erzeugt einen Modulationsstrom 3, dessen zeitlicher Verlauf dem Bild 3 zu entnehmen ist. Aufgrund dieses Modula­ tionsstromes 3 werden die Ummagnetisierungsverluste klein gehalten sowie die Sättigungstiefe und die Meßempfindlichkeit erhöht. In der Detektionswicklung D wird die Summe der zeitlichen Flußänderungen der beiden geschlossenen, magne­ tischen Kreise induziert. Bei einem von Null verschiedenen Meßstrom 4 ist die Summe der Flußänderungen eine mit dop­ pelter Modulationsfrequenz periodische Folge von Spannungs­ impulsen 5. Die Amplitude dieser Spannungsimpulse 5 ist in erster Näherung eine Abbildung des Meßstromes 4.

Der Modulationsstromformer wird von einem Leistungsfrequenz­ teiler 12 gespeist, welcher von einem Taktgenerator 14 angesteuert wird. Die Ausgangssignale 2 des Leistungsfre­ quenzteiles 12 weisen die halbe Frequenz der Signale 1 des Taktgenerators 14 auf. Der Taktgenerator 14 steuert ferner ein Abtast-Halteglied 18 über einen Abtast-Fensterbildner 16 an. Durch die gemeinsame Ansteuerung einerseits des Modula­ tionsstromformers 10 und andererseits des Abtast-Haltegliedes 18 werden in besonders zweckmäßiger Weise starre Phasen- und Frequenzverhältnisse zwischen den genannten Einheiten gewähr­ leistet. Der Leistungsfrequenzteiler 12 versorgt den Modula­ tionsstromformer 10 mit einer zeit- und amplitudensymmetri­ schen Rechteckspannung 2, deren Taktfrequenz halb so groß ist wie die der Taktsignale 1. Der Abtastfenster-Bildner 16 liefert zum Zeitpunkt des Modulationsstrom-Maximums einen Abtast-Impuls 6 an das Abtast-Halteglied 18, an dessen Ausgang ein vom Meßstrom 4 abhängiges Signal 7 ansteht. Für kleine Meßströme, deren Größenordnung von der Auslegung des Sensors abhängt (kleiner als 1 mA), ist ein im wesentlichen proportionaler Zusammenhang gegeben. Durch magnetische Alterung der Sensorkerne und/oder durch thermische Eigen­ schaftsänderungen kann der Proportionalitätsfaktor variieren.

Derartige nachteilige Eigenschaften werden in besonders zweckmäßiger Weise erfindungsgemäß mit einem Kompensations­ verfahren eliminiert. Das Signal 7 wird einem Regler 20 zuge­ führt, der einen Kompensationsstromgeber 22 beaufschlagt. Der nachgeschalteten Kompensationswicklung K wird somit vom Regler 20 und der gesteuerten Stromquelle 22 ein entsprechend der Windungszahl der Kompensationswicklung K untersetzter Strom eingeprägt, welcher ein Abbild des Meßstromes I ist. Der Kompensationsstromgeber wird in besonders zweckmäßiger Weise als gesteuerte Stromquelle hoher Ausgangsimpedanz ausgeführt, wodurch sich die Abschwächung des Detektionssig­ nals durch Belastung der Kompensationswicklung über die Gegeninduktivität vermeiden läßt. Wird die gesteuerte Strom­ quelle temperaturstabil, breitbandig und mit kleinem Null­ punktsfehler ausgeführt, so ist das Stellsignal (Y) des Reglers ebenfalls ein Abbild des Meßstromes I, wodurch ein Meßwiderstand im Kompensationskreis entfallen kann. Das Kompensationsverfahren wird mit einem geschlossenen Regel­ kreis realisiert und beseitigt Nichtlinearitäten des Meß­ wandlers und ergibt eine hohe Meßdynamik.

Im Vergleich mit der eingangs erwähnten phasenrichtigen Gleichrichtung weist der erfindungsgemäße Meßwandler einen erheblich reduzierten elektronischen Aufwand auf, zumal temperaturstabile und aufwendige Filter entbehrlich sind. Desweiteren ist von besonderer Bedeutung, daß die maximal übertragbare Frequenz des Meßstromes bei gleicher Modula­ tionsfrequenz nicht unwesentlich höher ist, denn die Totzeit des zum Einsatz gelangenden Abtast-Haltegliedes ist deutlich kleiner als die Einschwingzeit eines Bandpasses hoher Güte. Da mit dem Abtast-Halteglied die Unterschiede der Magnetisie­ rungskennlinien nur zum Abtastzeitpunkt erfaßt werden, führen fertigungsbedingte Abweichungen in den Magnetisierungskenn­ linien der Sensorkerne zu einer erheblich geringeren Beein­ trächtigung der Meßgenauigkeit als bei der Filtermethode, bei welcher alle Abweichungen kontinuierlich einwirken.

Bezugszeichenliste

D Detektionswicklung
K Kompensationswicklung
L Meßstromwicklung
M1, M2 Modulationswicklung
S1, S2 Sensorkern
10 Modulationsstromformer
12 Leistungsfrequenzteiler
14 Taktgenerator
16 Abtastfensterbildner
18 Abtasthalteglied
20 Regler
22 Kompensationsstromgeber
Y Stellgröße des Reglers
G Leitwert der gesteuerten Stromquelle

Claims (9)

1. Meßwandler mit zwei weichmagnetischen Sensorkernen (S1, S2), auf welche ein magnetisches Feld einwirkt, mit Modula­ tionswicklungen (M1, M2), welche den Sensorkernen (S1, S2) derart zugeordnet sind, daß ein durch sie fließender Modula­ tionsstrom in den Sensorkernen (S1, S2) entgegengerichtete Magnetisierungen bewirken, und mit einer auf den Sensorker­ nen vorgesehenen Detektionswicklung (D), dadurch gekennzeichnet, daß den Modulationswicklungen (M1, M2) ein periodischer, symmetrischer Modulationsstrom (3) derart zugeführt wird, daß er die Hysteresekurven der Sen­ sorkerne (S1, S2) bis weit in die Sättigung durchläuft, daß an der Detektionswicklung (D) eine Folge von Spannungsim­ pulsen (5) ansteht, deren Amplitude von einem Magnetfeld abhängig ist, das von einem Meßstrom (4) in einem Leiter oder einem Strom geladener Teilchen verursacht ist, und daß die Amplitude der Spannungsimpulse (5), insbesondere mittels eines Abtast-Haltegliedes (18), erfaßt und gespei­ chert wird.

2. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorkerne (S1, S2) insbesondere aus einem amorphen Metall bestehen, wobei die Kerne oder Kernteile durch Auf­ wickeln des Bandes oder Schichten von Formteilen gefertigt werden.

3. Meßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Detektionswicklung (D) anstehenden Spannungs­ impulse synchron mit der Frequenz der Modulationssignale (3) abgetastet werden.

4. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgenerator (1) vorgesehen ist, der sowohl den Modulationsstromformer (10) als auch das Abtast- Halteglied (18) ansteuert.

5. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal (7) des Abtast-Haltegliedes (18) einem Regler (20) zugeführt wird, dessen Stellgröße einen Stromgeber (22), insbesondere eine Stromquelle hoher Ausgangsimpedanz steuert, deren Ausgangsstrom im Sinne eines geschlossenen Regelkreises die Detektionswicklung (D) zur Kompensation beaufschlagt, wobei die in den Sensorkernen (S1, S2) durch den Meßstrom bedingte Magnetisierung aufgehoben wird und wodurch der Wandler als Nullflußdetektor arbeitet.

6. Meßwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Stromgebers (22) einer, insbesondere sepa­ raten, über beide Sensorkerne (S1, S2) geführten Kompen­ sationswicklung (K) zugeführt wird, wobei das Verhältnis von Meßstrom zum Kompensationsstrom frei vorgebbar ist.

7. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulationsstromformer (10) die Modulationswicklungen (M1, M2) zu je einem nichtlinearen parallel-Resonanzkreis ergänzt, wodurch einerseits der Leistungsbedarf zur Modulation reduziert und andererseits die Meßempfindlichkeit gesteigert wird.

8. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorkerne (S1, S2) jeweils derart unterteilt sind, daß sie voneinander getrennt und wieder miteinander zur Schließung des magnetischen Kreise verbindbar sind, wobei die genannten Wicklungen sinngemäß auf die einzelnen Kernteile verteilt sind, so daß ohne Auftrennen eines elektrischen Leiters die Sensorkerne (S1, S2) um diesen gelegt werden können.

9. Meßwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Sensorkerne (S1, S2) derart auf einer Linear­ führung mit nur einem Freiheitsgrad angeordnet werden, daß ihre Bewegungsrichtung parallel zur Flächennormalen der Trennebenen verläuft, und daß diese Trennebene auch die Magnetisierungsvektoren schneidet, wodurch ein reproduzier­ bares Öffnen und Schließen der magnetischen Kreise gewährlei­ stet ist.