DE4028614A1

DE4028614A1 - Verfahren zur messung grosser stroeme und elektrizitaetszaehler zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE4028614A1
Application number: DE19904028614
Authority: DE
Inventors: Peter Scheew
Original assignee: EMH EN MESSTECHNIK GmbH
Current assignee: EMH EN MESSTECHNIK GmbH
Priority date: 1990-09-08
Filing date: 1990-09-08
Publication date: 1992-03-12

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung großer Ströme und einen Elektrizitätszähler zur Durchführung des Verfahrens, bei dem in einem Gehäuse mit Grundplatte ein elektronisches Meßwerk, ein elektronisches Tarifwerk, eine Meßwertanzeigeeinrichtung und ein Stromleiteranschlußblock angeordnet und zur Erzeugung einer maximalen Feldstärke die Primärleiter zu einer Stromschleife geformt sind.

Beim Messen großer Ströme zur Ermittlung des Energiever brauchs ist es bekannt, die Ausgangssignale der Meßwertauf nahmeeinrichtung in einem elektronischen Meßwerk weiter zu verarbeiten und optisch anzuzeigen. Bei bekannten Elektrizi tätszählern besteht der Nachteil, daß ein Einsatz über einen großen Stromstärkebereich nicht möglich ist, da nicht to lerierbare Meßwertfehler auftreten können. Aus diesem Grunde ist eine Anpassung an den jeweiligen Meßwertbereich erforder lich, was die Herstellung der Elektrizitätszähler verteuert. Um auch die durch Verbraucher verursachten Gleichstromanteile erfassen zu können, sind ferner aufwendige konstruktive Maß nahmen erforderlich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Strommessung und einen zu dessen Durchführung einsetzbaren Elektrizitätszähler aufzuzeigen, mit dem bei konstruktiv einfachem Aufbau die Stromverläufe von Verbrauchern ohne Meßwertverfälschung exakt gemessen werden können.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich des Elektrizitätszählers durch die kenn zeichnenden Merkmale des Anspruchs 2. Vorteilhafte Ausge staltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Von besonderem Vorteil ist es, daß nach der Erfindung keine Leistung umgesetzt und der Stromverlauf in Verbrauchern identisch gemessen wird, wobei die Messung nicht sinusförmiger Ströme erfolgt.

Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel des in den Zeich nungen dargestellten Elektrizitätszählers näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Elektrizitätszähler in einer schematischen Seitenansicht im Schnitt,

Fig. 2 den Elektrizitätszähler in der Draufsicht,

Fig. 3 die Meßwertaufnahmeeinrichtung des Elektrizitätszählers nach Fig. 1 in einer schematischen vergrößerten Seitenansicht,

Fig. 4a bis 5d verschiedene Schlitzausbildungen des Schlitzes des Ferrit-Ringkerns der Meßwertaufnahmeeinrichtung

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Zerhacker- Verstärkers

Fig. 7 und 8 Schaltbilder des mit dem Hall-Baustein des Sensors verbundenen Zerhacker-Verstärkers.

Der Elektrizitätszähler 1 weist eine Grundplatte 3 auf, auf der eine Netzwerkplatine 8, ein elektronisches Meßwerk 4, eine Meßwertaufnahmeeinrichtung 10 und ein Stromleiteran schlußblock 7 angeordnet sind. Oberhalb des elektronischen Meßwerks 4 befindet sich ein elektronisches Tarifwerk 5 sowie eine optische Meßwertanzeigeeinrichtung 6. Diese kann als LCD-Anzeige ausgebildet sein. Meßwertaufnahmeeinrichtung 10, Meßwerk 4, Tarifwerk 5 sind in einem Schirmgehäuse 9 angeord net. Die Grundplatte 3 insgesamt wird von einem Gehäuse 2 abgedeckt (Fig. 1 und 2).

Die Meßwertaufnahmeeinrichtung 10 besteht aus Ferrit-Ring kernen 12, durch die jeweils schlaufenförmig ein Stromleiter 11 geführt ist. Jeder Ferrit-Ringkern 12 weist einen den Ringquerschnitt durchtrennenden Schlitz 14 auf, in dem im Abstand von den Schlitzflächen 15, 16 ein Sensor 17 des elek tronischen Meßwerks 4 angeordnet ist (Fig. 3). Der Sensor 17 ist als Hall-Sensor ausgebildet. Hierzu ist an dem einen Endabschnitt des plattenförmigen Elements des Sensors 17 ein Hall-Baustein 18 angeordnet, der in den Schlitz 14 eingeführt ist.

Die Schlitzflächen 15, 16 können parallel zueinander unter Ausbildung einer Schlitzbreite 19 angeordnet sein (Fig. 4a). Um die Linearität des Ferrit-Ringkerns 12 zu erhöhen ist es möglich, die einander zugewandten Schlitzflächen 15, 16 pro filiert auszubilden. Wie in Fig. 4b gezeigt, können die Schlitzflächen 15, 16 mit gleichbleibender radialer Breite 18 konvex gewölbt geformt sein. Es ist aber auch möglich, in den Schlitzflächen im Bereich minimaler Schlitzbreite 19 jeweils einen mittigen Flächenabschnitt 20, 21 auszubilden, an dem beidseitig jeweils schiefwinklig ein Randflächenabschnitt 22, 23 anschließt (Fig. 4c). Bei einer weiteren Ausbildung eines Ferrit-Ringkerns 12 sind in den Schlitzflächen 15, 16 rand seitig im Abstand voneinander Ausnehmungen 24, 25 derart ausgebildet, daß zwischen den Ausnehmungen 24, 24; 25, 25 jeweils ein mittiger Flächenabschnitt 20, 21 im Bereich minimaler Schlitzbreite 19 angeordnet ist.

Weitere Ausgestaltungen von Schlitzflächen 15, 16 des Ferrit kerns 12 sind in den Fig. 5a bis 5d dargestellt. Hierbei sind in den Schlitzflächen 15, 16 Ausnehmungen 39 ausgebildet, wobei die Breite der Schlitzflächen 15, 16 jeweils konstant ist. Die Ausnehmungen 38 können rechteckförmig oder quadra tisch ausgebildet und ringkernaußenseitig oder ringkerninnen seitig angeordnet sein (Fig. 5a und 5b). Es ist aber auch möglich, an die Schlitzflächen 15, 16 im Bereich minimaler Schlitzbreite 19 anschließende schiefwinklig angeordnete Flächenabschnitte 39 vorzusehen, die entweder zur Ringkern außenseite oder Ringkerninnenseite gerichtet sind (Fig. 5c und 5d).

Mittels des in den Fig. 6 bis 8 schematisch dargestellten Zerhacker-Verstärkers 26 wird die durch den Hall-Effekt im Schlitz 14 des Ferrit-Ringkerns 12 am Hall-Baustein 28 ent stehende Hallspannung in eine Wechselspannung umgewandelt. Diese wird verstärkt, ohne daß die bei Gleichspannungsver stärkung entstehende für meßtechnische Zwecke unzulässige hohe Nullpunktdrifft eintritt. Durch den Zerhacker-Verstärker 26 wird die Linearität vergrößert und damit die Meßgenauig keit verbessert. Vorteilhaft ist es, den Zerhacker-Verstärker 26 auf dem plattenförmigen Element des Sensors 17 anzuordnen. Die Funktion des Zerhacker-Verstärkers 26 in Verbindung mit dem Hall-Baustein 28 ist wie folgt:
Zur Ermittlung des Energieverbrauches muß die Netzspannung U(t) mit dem Verbraucherstrom I(t) unter Beachtung des Phasenwinkels Φ zwischen U und I multipliziert und über den Meßzeitraum integriert werden.

Die Multiplikation findet in einem Hallsensor statt. Hierzu wird die Netzspannung U(t) in einem Meßstrom I_M(t) und der Verbraucherstrom I(t) in eine magnetische Meßfluß dichte B_M(t) umgewandelt.

Beide Meßgrößen werden dem Hallsensor zugeführt und erzeugen an dessen Ausgangsklemmen eine Hallspannung U_H deren Gleich anteil dem Produkt I_M(t) · B_M(t) · cos Φ proportional ist.

Die Gleichspannung muß in einem Meßverstärker aufbereitet werden. Bedingt durch material- und fertigungstechnische Unzulänglichkeiten erzeugen sowohl der Hallsensor, als auch der Meßverstärker eine eigene Gleichspannung (Offsetspan nung), die zeitlich und thermisch instabil ist und somit die Hallspannung U_H verfälscht.

Dieser Fehler läßt sich dadurch beseitigen, daß der Meßstrom I_M(t) mit einer Wiederholfrequenz f_ch umgepolt wird. Dadurch polt sich ständig und mit gleicher Frequenz U_H um und liegt somit als rechteckige Wechselspannung vor. Diese läßt sich verstärken, ohne daß die Offsetspannungen, die nach wie vor als Gleichspannungen vorliegen, stören.

Diese Wechselspannung wird in einem Gleichrichter, der synchron zur Meßstromumpolung arbeitet, gleichgerichtet. Dabei werden die Offsetspannungen zu einer Wechselspannung, die aus der gewonnenen Gleichspannung herausgefiltert wird.

Damit die Offsetgrößen geringstmöglichen Einfluß haben, ist es erforderlich, daß die Wiederholfrequenz ein Tastverhältnis V_t von genau 0,5 hat, V_t also wie folgt bestimmt wird:

In Fig. 6 ist die Schaltung eines Zerhacker-Verstärkers 26 schematisch dargestellt.

Die Schalter 30, 31, und 27 werden von einem gemeinsamen Taktgenerator 29 angesteuert.

Die gezeichnete Schalterstellung stellt "negativen Stromfluß" dar. In diesem Fall ist auch U_H negativ, wird in einem Ver stärker 32 verstärkt und dem Synchrongleichrichter 33 zuge führt. Dieser beinhaltet einen Verstärker mit der Verstärkung V = -1 und den Schalter 27. Die negative Eingangsspannung des Synchrongleichrichters 33 wird mit -1 verstärkt, er scheint somit positiv am Kontakt 34 des Schalters 27 und wird dem Filter 36, daß als Tiefpaß ausgeführt ist, zugeführt.

Wenn alle Schalter 30, 31, 27 synchron ihre Stellung wech seln, liegt "positiver Stromfluß" vor. U_H ist positiv, wird verstärkt und liegt am Kontakt 35 des Schalters 27 ebenfalls als positive Spannung und kann dem Filter 36 zugeführt wer den.

Die Offsetgrößen liegen am Ausgang des Verstärkers 32 immer mit gleicher Polarität an. Dadurch, daß Schalter 27 ständig schaltet, liegt am Eingang des Filters 36 abwechselnd die positive und die negative Offsetgröße an und kann weggefil tert werden. Diese gelingt dann vollkommen, wenn das Tast verhältnis V_T genau 0,5 ist. Ist es von 0,5 verschieden, liegt die positive oder negative Offsetgröße länger am Filter 36 als die jeweils andere und erzeugt im Filter 36 eine Gleichspannung, die um so größer ist, je größer die Ab weichung von 0,5 ist. Bei einem 3-phasigen Zähler ist ein Filter für alle drei Verstärker ausreichend.

Fig. 7 zeigt eine weitere Anordnung eines Sensors 17 mit Hall-Baustein 28. Dieser ist über einen Schalter 37 in den Zerhacker-Verstärker 26 eingebunden. Hierdurch können Schal ter benutzt werden, an die keine besonders hohen Anforde rungen an Thermosspannungen und Übergangs/Isolationswider stände gestellt werden müssen.

Fig. 8 zeigt die Anordnung von Zerhacker-Verstärkern 26 mit Hall-Baustein 28 für die drei Phasen eines Elektrizitäts zählers 1.

Claims

1. Verfahren zur Messung großer Ströme zur Ermittlung des Energieverbrauchs mit einem Elektrizitätszähler, bei dem in einem Gehäuse mit Grundplatte ein elektronisches Meß werk, ein elektronisches Tarifwerk, eine Meßwertanzeige einrichtung und ein Stromleiteranschlußblock angeordnet und zur Erzeugung einer maximalen Feldstärke die Primär leiter zu einer Stromschleife geformt sind, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder Stromleiter schlaufenförmig durch einen Ferrit-Ringkern mit einem den Ringquerschnitt durchtrennenden Schlitz geführt wird, daß in den Schlitz ein Hall-Baustein eingeführt wird, durch den die Netz spannung in einen Meßstrom und der Verbraucherstrom in eine magnetische Meßflußdichte umgewandelt wird, daß die Gleichspannungsanteile der in dem Hall-Baustein erzeugten Hallspannung über einen Zerhacker-Verstärker mit einem Tastverhältnis von 0,5 taktweise umgepolt und die eigenen zeitlich und thermisch instabilen Gleichspannungsanteile des Hall-Bausteins und des Meßverstärkers ausgefiltert werden.

2. Elektrizitätszähler zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem in einem Gehäuse mit Grundplatte ein elektronisches Meßwerk, ein elektronisches Tarifwerk, eine Meßwertanzeigeeinrichtung und ein Stromleiteran schlußblock angeordnet und zur Erzeugung einer maximalen Feldstärke die Primärleiter zu einer Stromschleife ge formt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stromleiter (11) der Meßwertaufnahmeeinrichtung (10) schlaufenförmig durch einen Ferrit-Ringkern (12) geführt ist, in dem ein den Ringquerschnitt durchtrennender Schlitz (14) aus gebildet ist, in dem im Abstand von den Schlitzflächen (15, 16) ein Sensor (17) des elektronischen Meßwerks (4) angeordnet ist.

3. Elektrizitätszähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß der Sensor (17) als Hall-Sensor ausgebildet ist.

4. Elektrizitätszähler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß der Hall-Baustein (28) des Sensors (17) im Schlitz (14) angeordnet ist.

5. Elektrizitätszähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Schlitzflächen (15, 16) parallel zueinander angeordnet sind.

6. Elektrizitätszähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß der Ferrit-Ringkern (12) im Querschnitt recht eckförmig oder quadratisch ausgebildet ist.

7. Elektrizitätszähler nach Anspruch 2, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzflächen (15, 16) mit gleichbleibender radialer Breite (18) konvex gekrümmt geformt sind.

8. Elektrizitätszähler nach Anspruch 2, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzflächen (15, 16) im Be reich minimaler Schlitzbreite (19) jeweils einen mittigen Flächenabschnitt (20, 21) aufweisen, an dem beidseitig jeweils schiefwinklig ein Randflächenabschnitt (22, 23) anschließt.

9. Elektrizitätszähler nach Anspruch 2, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Schlitzflächen (15, 16) rand seitig im Abstand voneinander Ausnehmungen (24, 25) der art ausgebildet sind, daß zwischen den Ausnehmungen (24, 24; 25, 25) jeweils ein mittiger Flächenabschnitt (20, 21) im Bereich minimaler Schlitzbreite (19) angeordnet ist.

10. Elektrizitätszähler nach Anspruch 2, 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den schlitzseitigen Endabschnitten des Ferrit-Ringkerns (12) ringkernaußenseitig oder ring kerninnenseitig jeweils eine Ausnehmung (38) ausgebildet ist.

11. Elektrizitätszähler nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schlitzflächen (15, 16) im Bereich minimaler Schlitzbreite (19) eine gleichbleibende Breite aufweisen.

12. Elektrizitätszähler nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ausnehmungen (38) im Querschnitt recht eckförmig oder quadratisch ausgebildet sind.

13. Elektrizitätszähler nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ausnehmungen (38) durch ringkernaußen seitig oder ringkerninnenseitig an die Schlitzflächen (15, 16) im Bereich minimaler Schlitzbreite (19) an schließende schiefwinklig angeordnete Fächenabschnitte (39) ausgebildet sind.

14. Elektrizitätszähler nach Anspruch 1 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, daß der Hall-Baustein (28) mit einem Zerhacker-Verstärker (26) verbunden ist.

15. Elektrizitätszähler nach Anspruch 14, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schalter (30, 31) des Zerhacker-Verstärker (26) von einem Taktgenerator (29) des elektrischen Meßwerks (4) ansteuerbar sind.

16. Elektrizitätszähler nach Anspruch 15, dadurch gekenn zeichnet, daß im Zerhacker-Verstärker (26) ein mit dem Taktgenerator (29) verbundener Verstärker (32) angeordnet ist, dessen Ausgang mit einem Synchrongleichrichter (33) verbunden ist, und daß die Ausgänge des Verstärkers (32) und des Synchrongleichrichters (33) taktweise über einen mit dem Taktgenerator (29) verbundenen Schalter (27) mit einem Filter (36) verbunden sind.