DE60116079T2

DE60116079T2 - Strommessvorrichtung

Info

Publication number: DE60116079T2
Application number: DE60116079T
Authority: DE
Inventors: Thomas Castleroy SORENSON
Original assignee: Suparules Ltd
Current assignee: Suparules Ltd
Priority date: 2000-04-17
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2021-04-13
Also published as: WO2001079869A1; DE60116079D1; EP1277060B1; ATE313806T1; US6717397B2; EP1277060A1; AU2001248718A1; ES2255549T3; IES20010370A2; US20030112000A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Wechselstrom, der in einem elektrischen Leiter wie z.B. einer isolierten Netzstromleitung fließt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine solche Vorrichtung bereitzustellen, die zu geringen Kosten hergestellt werden kann, die keine beweglichen Teile hat und die mit hoher Präzision gefertigt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beanspruchte Erfindung gelöst.
Die JP 06043189A offenbart eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Diese Vorrichtung verwendete jedoch drahtgewickelte Spulen und hat keine Vorkehrungen zum Kompensieren von externen Magnetfeldern.
Eine Ausgestaltung der Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
1 einen Schaltplan zum Illustrieren der Grundsätze des Betriebs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die aber selbst keine Ausgestaltung der Erfindung ist;
2 ein Diagramm zum Illustrieren des Effekts eines ungleichförmigen Aufbaus der Spulen;
3 eine vergrößerte Perspektivansicht eines Teils einer Ausgestaltung der Erfindung;
4 in Draufsicht die Unterseite der Spulenauflageplatte der Ausgestaltung, die die gedruckten Leiterbahnen bzw. Leiterspuren darauf zeigt;
5 eine Front-(oder Rück-)Ansicht von einer von sieben im Wesentlichen identischen Spuleneinheiten, die in der Ausgestaltung verwendet werden und die gedruckten Leiterbahnen bzw. -spuren auf den äußeren Hauptflächen von jeder der beiden äußeren der drei Isolierschichten zeigen, aus denen sich die Spuleneinheit zusammensetzt;
6 die gedruckten Leiterbahnen bzw. -spuren auf jeder der zwei gegenüberliegenden Hauptflächen der mittleren der drei Isolierschichten, aus denen sich jede Spuleneinheit zusammensetzt; und
7A und 7B, wie die die Spulen in Reihe schaltenden Leiter für minimale Interferenzen mit den Spulenausgängen konstruiert sind.
In 1 sind vierzehn kleine, im Wesentlichen identische Spulen C1 bis C14 aus nichtmagnetischem Material auf einem Auflageelement bzw. Stützelement 10 aus elektrisch isolierendem Material montiert. Die Spulen C1 bis C7 sind auf dem Element 10 im Wesentlichen gleichmäßig um einen ersten imaginären Kreis mit Durchmesser D1 beabstandet montiert und von einem nichtmagnetischen Leiter 12 in Reihe geschaltet. Ebenso sind die Spulen C8 bis C14 auf dem Element 10 im Wesentlichen gleichmäßig um einen zweiten imaginären Kreis mit Durchmesser D2 herum beabstandet und durch einen zweiten nichtmagnetischen Leiter 14 in Reihe geschaltet. Der zweite Kreis ist mit dem ersten Kreis im Wesentlichen konzentrisch. Die Magnetachse jeder Spule C1 bis C14 ist im Wesentlichen tangential zu dem jeweiligen Kreis, auf dem sie liegt, und jede Spule des Satzes von Spulen C1 bis C7 ist im Wesentlichen radial mit einer jeweiligen Spule des Satzes von Spulen C8 bis C14 ausgerichtet, d.h. die Spulen sind in Paaren C1/C8, C2/C9 usw. radial ausgerichtet. In der mit Bezug auf die 4 bis 7 beschriebenen Ausgestaltung, die die obige Schaltung implementiert, beträgt der Durchmesser D1 0,044 Meter und der Durchmesser D2 beträgt 0,048 Meter.
Das Auflageelement bzw. Stützelement 10 hat einen Schlitz 16, der von seiner Peripherie zu einem Punkt jenseits der Mitte 18 der konzentrischen Kreise mit Durchmesser D1 und D2 verläuft. So kann ein zu prüfender Leiter (nicht dargestellt) in die Mitte der Spulen C1 bis C14 mit der Achse des Leiters normal zu der die Spulen enthaltenden Ebene eingeführt werden (d.h. normal zur Ebene von 1). Vorausgesetzt, dass die Achse des zu prüfenden Leiters nahe an Punkt 18 ist, z.B. maximal etwa 1 cm, wobei D1 und D2 die oben angegebenen Maße haben, kann der Wechselstrom in dem Leiter akkurat gemessen werden. Dies wird wie folgt demonstriert.
Man nehme an, dass sich der zu prüfende Leiter, dessen Strom I gemessen werden soll, in der Mitte 18 der konzentrischen Kreise von 1 mit seiner Längsachse lotrecht zur Ebene der Seite befindet. Das von diesem Strom am Umfang des Kreises mit Durchmesser D1 erzeugte Magnetfeld H_C wird um den Umfang gerichtet und seine Größe ist an jeder der sieben inneren Spulen C1 bis C8 gleich, die um den Umfang verteilt sind. Diese Größe H_C1 wird ausgedrückt durch:
Der die sieben inneren Spulen jeweils verbindende Gesamtmagnetfluss wird ausgedrückt durch: ϕ = μNAHC1 wobei N die Zahl der Windungen in einer individuellen Spule, μ die magnetische Permeabilität des freien Raums und A der Durchschnittsbereich ist, der von einer einzelnen Windung der Spulen umschlossen wird. Die in jeder individuellen Spule induzierte Spannung V ist das Zeitdifferential dieses Magnetflusses:
oder, für einen Strom mit Frequenz f: V = j2πfϕ
Da alle sieben in 1 gezeigten inneren Spulen in Reihe geschaltet und ihre individuellen Spannungen V alle gleichphasig sind, ist für eine Stromquelle in der Mitte die Gesamtausgangsspannung V_T1 vom inneren Spulensatz wie folgt:
Ebenso beträgt die vom äußeren Satz von sieben Spulen C8 bis C14 auf dem Kreis mit Durchmesser D2 aufgenommene Spannung V_T2:
Wenn die Stromquelle jetzt aus dem äußeren Spulensatz C8 bis C14, d.h. aus dem Schlitz 16 hinaus bewegt wird, dann ist die Größe des Magnetfelds um den Umfang des inneren Kreises nicht mehr dieselbe und die Umfangskomponente des die einzelnen Spulen schneidenden Magnetfeldes ist nicht mehr in derselben Richtung für jede der Spulen in dem Satz. Infolgedessen variiert die in jeder der Spulen eines Satzes induzierte Spannung größenmäßig und eine Phasenumkehr der Spannung erfolgt dann, wenn die Umfangskomponente des Magnetfelds die Richtung von im Uhrzeigersinn in einer Spule auf gegen den Uhrzeigersinn in einer anderen Spule des Satzes ändert.
Diese Spannungen werden über die sieben inneren Spulen C1 bis C7 summiert, was zu einer weitaus geringeren Aufnehmerspannung V_T1 von einer externen Quelle resultiert, da die phaseninvertierten Spannungen von einigen Spulen von den gleichphasigen Spannungen von anderen subtrahiert werden.
Für das in 1 dargestellte System ist ersichtlich, dass die Gesamtaufnehmerspannung von einer externen Quelle für den äußeren Satz von sieben Spulen C8 bis C14 um einen Anteil größer ist als für den inneren Satz C1 bis C7, der von der Distanz der externen Quelle vom äußeren Satz von Spulen fast unabhängig ist. Somit können Störungen von externen Quellen erheblich weiter reduziert werden, indem ein fester Teil der im äußeren Satz induzierten Spannung von der im inneren Satz induzierten Spannung subtrahiert wird.
Wenn beispielsweise der Durchmesser des inneren Spulensatzes 0,044 Meter und der Durchmesser des äußeren Spulensatzes 0,048 Meter beträgt, mit sieben Spulen in jedem Satz, dann wird eine optimale Reduzierung externer Störungen erzielt, indem als Ausgangsspannung der Vorrichtung der Wert V_T genommen wird, wobei: VT = VT1 – 0,59VT2 (3)
In 1 wird dieser Wert V_T durch Anlegen der Spannungen V_T1 und V_T2 über Widerstände R1 und R2 jeweils gemeinsam mit dem negativen Eingang eines Verstärkers 20 mit einem Feedback-Verstärker R_F abgeleitet. Ein Kondensator C_F kann ebenfalls parallel zu R_F geschaltet werden, um die Frequenzabhängigkeit der Eingangsspannung V_T zu beseitigen. Der Anteil von V_T2, der von V_T1 im Ausgang des Komparators subtrahiert wird, ist direkt proportional zum Verhältnis der Widerstandswerte R1/R2, so dass durch eine geeignete Wahl von R1 und R2 der gewünschte Wert V_T erhalten werden kann.
Für eine in der Mitte der beiden Spulensätze platzierte Stromquelle I_M wird die Aufnehmerspannung V_TM aus Gleichung (3) für die Vorrichtung anhand der Werte von V_T1 und V_T2 erhalten, die jeweils von Gleichungen (1) und (2) unter Verwendung von D1 = 0,044 Meter und D2 = 0,048 Meter berechnet, so dass sich Folgendes ergibt: VTM = 146μNAfIM (4)
Wieder zurück zur Unterdrückung von Störquellen außerhalb der beiden Spulensätze, während sich die störende Stromquelle immer weiter von der Vorrichtung weg bewegt, wird das von ihr in der Nähe der Spulen erzeugte Magnetfeld im Hinblick auf Größe und Richtung über den Bereich der Sonde immer gleichförmiger. Infolgedessen werden die über den inneren Spulensatz erzeugte Spannung V_T1 und die über den äußeren Satz erzeugte Spannung V_T2 immer kleiner und die Aufnehmerspannung von störenden Quellen wird immer weiter reduziert, wenn V_T mit Hilfe von Gleichung (3) berechnet wird.
Die Reduzierung von V_T1 und V_T2, die auftreten sollte, während das Feld für weit entfernt liegende Quellen immer gleichförmiger wird, findet nur dann statt, wenn alle sieben Spulen im inneren und äußeren Satz identisch sind und nur die Umfangskomponente des Magnetfeldes aufnehmen. Es wird nun der Effekt eines ungleichförmigen Aufbaus der Spulen auf die Unterdrückung der Magnetfeldaufnahme von weit entfernt liegenden Quellen untersucht.
2 zeigt einen Satz von sieben Spulen C1 bis C7, die gleichwinklig um einen Kreis beabstandet sind und einem extern erzeugten Magnetfeld H_E ausgesetzt werden, das an allen Spulen gleich ist und das nur eine horizontale Magnetfeldkomponente wie gezeigt hat. Dies ist der Typ von Magnetfeld, der durch eine weit entfernt liegende Störquelle erzeugt wird. Wenn jede Spule nur die Umfangskomponente des Magnetfeldes aufnimmt, dann induziert eine rechtsgerichtete Magnetfeldkomponente an einer Spule eine gleichphasige Spannung, während eine linksgerichtete Komponente eine phasenverschobene Spannung induziert.
θ_n sei der Winkel, den der Radius von der Kreismitte zur Spule n mit der vertikalen Achse wie gezeigt bildet. Die rechtsgerichtete Magnetfeldkomponente H_cn, die Spule n verbindet, wird durch H_cn = H_ECosθ_n ausgedrückt, und die in dieser Spule induzierte Spannung V_cn wird ausgedrückt durch: VCN = j2πfμNnAnHcn = j2πfμNnAnHEcosϕn wobei N_n die Anzahl der Windungen in Spule n und A_n die durchschnittliche Querschnittsfläche der Windungen von Spule n sind.
Die Gesamtspannung V_T1, die erhalten wird, wenn alle sieben Ausgänge in Reihe geschaltet sind, ergibt:
und für ungleichmäßig beabstandete Spulen θ_n in Grad = 360(n – 1)/7, wobei n die Spulenzahl ist.
Wenn die Anzahl der Windungen in jeder Spule N_n und die durchschnittliche Fläche A_n jeder Spulenwindung jeweils mit den Werten N und A identisch sind, dann ergibt sich:
Für die gleichmäßig beabstandeten Spulen:
und somit ist V_T1 = 0, was zu einer störungsfreien Spannungsaufnahme von einem gleichförmigen Magnetfeld führt.
Wenn nicht alle Spulen identisch oder nicht gleichmäßig beabstandet sind, dann erfolgt eine Spannungsaufnahme von dem gleichförmigen Feld.
Wenn beispielsweise in einer Situation, in der die Spulen C2 bis C7 identisch sind, aber Spule C1 einen durchschnittlichen Windungsbereich hat, der um 1% größer oder kleiner ist als die anderen, so dass A1 = 1,01 A oder 0,99 A ist, dann beträgt die Größe der Spannungsaufnahme V_T1 von Gleichung (5): VT1 = (0,01)2πfμNAHE
Wenn alle in 1 gezeigten Spulen aus dem äußeren Satz identisch sind, dann ist V_T2 = 0 und die Gesamtausgangsspannung von der Vorrichtung V_T ergibt, wie durch Gleichung (3) ausgedrückt, Folgendes: VT = (0,01)2πfμNAHE (6)
Die europäischen Spezifikationen für ein 20 A Netzstromleistungsmessgerät der Klasse 1 verlangen, dass ein gleichförmiges externes Magnetfeld H_E von 400 A/m mit Netzfrequenz nur einen maximalen Fehler von weniger als 2% verursachen darf, wenn die Stromschätzvorrichtung einen Teststrom von 2 A in einem Leiter misst, der sich in der Mitte der Spulensätze befindet.
Die Störspannung V_T, die erhalten wird, wenn alle Spulen identisch sind, mit Ausnahme einer Spule, die aufgrund eines externen Magnetfelds H_E von 400 A/m um 1% von den anderen variiert, wird in Gleichung (6) wie folgt ausgedrückt: VT = 25μNAf (7)
Die gemessene Ausgangsspannung der Sonde V_TM mit einem Strom von 2 A, der in einem im Messbereich in der Sonde platzierten Prüfleiter fließt, wird durch Gleichung (4) ausgedrückt: VTM = 292μNAf (8)
Zum Erfüllen der europäischen Spezifikationen für Messgeräte der Klasse 1 muss die durch Gleichung (7) angegebene Störaufnehmerspannung V_T kleiner als 2% der durch Gleichung (8) angegebenen Messspannung V_TM sein.
Die durch Gleichung (7) angegebene Spannung V_T beträgt in der Tat 8,6% von V_TM. Daher würde eine Vorrichtung der in 1 gezeigten Form, bei der sich jedoch nur eine der Spulen um nur 1% von allen anderen unterscheidet, die Spezifikationen von Messgeräten der Klasse 1 nicht mehr erfüllen.
Um die Spezifikationen zu erfüllen, ist in der Tat eine Abmessungsvariation von weniger als ±0,2% in individuellen Spulen erforderlich.
Durch die Verwendung von kleinen, identischen, nichtmagnetischen Materialspulen C1 bis C14 und Verbindungsleitern 12 und 14, und aufgrund der Abwesenheit von beweglichen Teilen, hat eine gemäß den obigen Grundsätzen konstruierte Vorrichtung das Potential für ein Produkt, dass in großen Mengen sehr kostenarm hergestellt werden kann. Es wäre jedoch sehr schwierig, mit herkömmlichen drahtgewickelten Spulen die benötigte Präzision zu erzielen, und selbst wenn es möglich wäre, dann wären die entstehenden Kosten hoch.
Eine Leiterplatten- oder Dickfilmtechnik, bei der Leiterbahnen bzw. -spuren auf Folien oder Lagen aus Isoliermaterial aufgebracht werden, bietet jedoch eine kostenärmere und einheitlichere Herstellungstechnik für die Vorrichtung und wird in der Ausgestaltung eingesetzt, die jetzt mit Bezug auf die 4 bis 6 beschrieben wird.
3 zeigt in einem stark vergrößerten Maßstab eine Spuleneinheit 30, die beispielsweise aus einem mehrlagigen Dickfilm oder mit PCB-(Leiterplatten)-Technik hergestellt wurde. Die Einheit ist ein Laminat aus drei im Wesentlichen parallelen Schichten 32, 34, 36 aus Isoliermaterial, bei dem es sich um ein keramisches Leiterplattenmaterial oder dergleichen handeln kann, die mit herkömmlichen Techniken aneinander gekittet werden. Die geometrische Form des Laminats ist symmetrisch um eine Mittelebene normal zu den Schichten 32 bis 36 und hat zwei unabhängige Füße 38A, 38B.
Auf der exponierten Hauptfläche der äußeren Schicht 32 (d.h. die Oberfläche, die in 3 zu sehen ist) sind zwei Kontaktinseln 40A, 40B jeweils auf einem jeweiligen Fuß 38A, 38B und zwei im Wesentlichen identische allgemein spiralförmige Leiterbahnen bzw. -spuren 42A und 42B ausgebildet (siehe auch 5, wo die spiralförmigen Bahnen 42A, 42B ausführlicher dargestellt sind). Jede Bahn 42A, 42B endet an ihrem äußeren Ende an einer jeweiligen Lötinsel 40A, 40B und an ihrem inneren Ende an einem jeweiligen leitend plattierten Kontaktloch 44A, 44B, das durch die Dicke der Schicht 32 verläuft. Die exponierte Hauptfläche der anderen Außenschicht 36, in 3 nicht zu sehen, hat Lötinseln 40A, 40B, Bahnen 42A, 42B und Kontaktlöcher 44A, 44B, die mit denen der Schicht 32 im Wesentlichen identisch sind. Mit anderen Worten, wenn die Spuleneinheit 30 von der anderen Seite her betrachtet wird, dann sieht die exponierte Hauptfläche der Schicht 36 genauso aus wie die Hauptfläche der in den 3 und 5 zu sehenden Schicht 32.
Die Innenschicht 34 des Laminats, d.h. die zwischen den äußeren Schichten 32 und 36 sandwichartig eingeschlossene Schicht, hat zwei im Wesentlichen identische, allgemein spiralförmige Leiterbahnen bzw. -spuren 46A und 46B (6), die jeweils auf ihren gegenüberliegenden Hauptflächen liegen (6 zeigt nur eine solche Oberfläche, aber die gegenüberliegende Hauptfläche sieht genauso aus). Jede Bahn 46A, 46B endet an ihrem inneren Ende an einer jeweiligen Kontaktinsel 48A, 48B und an ihrem äußeren Ende an einem jeweiligen leitend plattierten Kontaktloch 50A, 50B. Die Kontaktlöcher 50A, 50B passieren durch die Dicke der Schicht 34 und verbinden die äußeren Enden der Bahnen 46A, 46B mit den äußeren Enden der gleichen Bahnen auf der gegenüberliegenden Hauptfläche der Schicht 34. Die Kontaktinseln 48A, 48B verbinden die inneren Enden der Bahnen 46A, 46B mit den inneren Enden der Bahnen 42A, 42B durch die Kontaktlöcher 44A, 44B.
Somit verlaufen auf der linken Seite (wie in 3 zu sehen) der mittleren Symmetrieebene der Spuleneinheit 30 vier spiralförmige Bahnen 42A/46A/46A/42A in dieser Reihenfolge durch die Einheit, die in Reihe zu einer allgemein mit 52 bezeichneten mehrlagigen Spule zusammengeschaltet sind. Ebenso verlaufen auf der rechten Seite der mittleren Symmetrieebene der Spuleneinheit 30 vier spiralförmige Bahnen 42B/46B/46B/42B in dieser Reihenfolge durch die Einheit, die zu einer allgemein mit 54 bezeichneten mehrschichtigen Spule in Reihe geschaltet und mit der Spule 52 identisch sind. Alle spiralförmigen Bahnen 42A, 42B, 46A und 46B können mit herkömmlichen PCB- oder Dickfilmauftragstechniken auf den verschiedenen Schichten der Spuleneinheit 30 ausgebildet werden und bestehen aus einem nichtmagnetischen elektrisch leitenden Material.
In der vorliegenden Ausgestaltung gibt es sieben identische Spuleneinheiten 30 und, wie beschrieben wird, in der fertigen Vorrichtung bildet die linke Spule 52 jeder Einheit eine jeweilige eine aus dem inneren Satz von Spulen C1 bis C7 und die rechte Spule 54 bildet eine jeweilige eine aus dem äußeren Satz von Spulen C8 bis C14. Da zwei Spulen auf einer mehrschichtigen Einheit vorhanden sind, werden Kosten reduziert und die mechanische Stabilität und Ausrichtung des inneren und des äußeren Spulensatzes werden verbessert.
Die sieben identischen Spuleneinheiten 30 sind auf einer elektrisch isolierenden Spulenauflageplatte 60 montiert (siehe 3 und 4), die dem Auflageelement bzw. Stützelement 10 von 1 entspricht. Die Auflageplatte 60 kann aus einem keramischen Leiterplattenmaterial oder dergleichen bestehen. Die Platte 60 hat sieben Paare an rechteckigen Öffnungen 62A, 62B, die vollständig durch die Dicke der Platte verlaufen. Jedes Paar Öffnungen 62A, 62B ist so dimensioniert, dass es das Paar Füße 38A, 38B einer jeweiligen Spuleneinheit 30 eng sitzend aufnimmt, wobei der Fuß 38A in die Öffnung 62A und der Fuß 38B in die Öffnung 62B eingeführt wird. Die Füße 38A, 38B werden in die jeweiligen Öffnungen 62A, 62B von der Oberseite der Platte 60 (wie in 3 zu sehen) eingeführt und haben eine Tiefe, die größer ist als die Dicke der Platte 60, so dass die Lötinseln 40A, 40B unter der Bodenfläche 64 der Platte vorstehen.
Auf der Bodenfläche 64 der Platte 60 befindet sich eine jeweilige Lötinsel 66 auf jeder Seite jeder Öffnung 62A, 62B. Wenn die Füße 38A, 38B ganz in die Öffnungen 62A, 62B eingeschoben werden, dann werden die Lötinseln 40A, 40B auf jeder Seite der Spuleneinheit 30 mit den benachbarten Lötinseln 66 verlötet. Dadurch werden die Einheiten 30 in der Platte 60 festgehalten. Eine Plastikfixiervorrichtung (nicht gezeigt) kann zum Halten der Spuleneinheiten 30 beim Löten verwendet werden, bis das Lötmittel erhärtet ist, um zu gewährleisten, dass die Isolierschichten 32 bis 36 jeder Einheit 30 präzise normal zur Platte 60 fixiert werden.
Die Anordnung der Paare von Öffnungen 62A, 62B in der Spulenauflageplatte 60 ist derart, dass, wenn die Spuleneinheiten 30 festgelötet werden, die mehrschichtigen Spulen 52 auf einem Kreis mit Durchmesser D1 (1) und die mehrschichtigen Spulen 54 auf einem Kreis mit Durchmesser D2 konzentrisch zu D1 angeordnet sind. Ferner ist die Magnetachse jeder Spule 52, 54 tangential zu dem jeweiligen Kreis, auf dem sie liegt, und jede Spule 52 ist dadurch, dass sie in derselben Einheit 30 ausgebildet ist, präzise radial auf ihren Nachbarn 54 ausgerichtet.
Wie in 4 zu sehen ist, ist der Satz von inneren Spulen 52 über ein Paar Ausgangsanschlüsse 68 durch einen inneren Bahnabschnitt 12A, der von einer Lötinsel 66 über den Kreis mit Durchmesser D1 zur nächsten verläuft, und zwei äußere Rückkehrbahnabschnitte 12B in Reihe geschaltet, die im Wesentlichen parallel zueinander jeweils auf beiden Seiten des Bahnabschnitts 12A und im Wesentlichen gleichmäßig davon beabstandet verlaufen. Ebenso ist der Satz von äußeren Spulen 54 in Reihe über ein Paar Ausgangsanschlüsse 70 durch einen inneren Bahnabschnitt 14A, der von einer Lötinsel 66 zur nächsten über den Kreis mit Durchmesser D2 verläuft, und zwei äußere Rückkehrbahnabschnitte 14B in Reihe geschaltet, die im Wesentlichen parallel zueinander jeweils auf beiden Seiten des Bahnabschnitts 14A und im Wesentlichen gleichmäßig davon beabstandet verlaufen. Die Bahnabschnitte 12A und 12B entsprechen der Bahn 12 von 1, die Bahnabschnitte 14A und 14B entsprechen Bahn 14 von 1. Alle Bahnabschnitte 12A, 12B, 14A und 14B können mit herkömmlichen PCB- oder Dickfilmauftragstechniken auf der Bodenfläche 64 der Auflageplatte 60 ausgebildet werden, und wie die Spulen 52 und 54 bestehen sie aus einem nichtmagnetischen, elektrisch leitenden Material. In der fertigen Vorrichtung sind die Ausgangsanschlüsse 68, 70 auf die in 1 gezeigte Weise mit einem Verstärker 20 verbunden.
Die besondere Anordnung der Leiterbahnen bzw. -spuren 12A, 12B und 14A, 14B, die die Spuleneinheiten 30 in Reihe schalten, wie in 4 gezeigt, dient zum Abmildern des Effekts einer Störspannungsaufnahme durch diese Bahnen von extern anliegenden Magnetfeldern. Es wird nun das Verfahren erörtert, mit dem eine reduzierte Störaufnahme mit der Anordnung erzielt wird.
Zunächst wird die in 1 für den inneren Satz von Spulen C1 bis C7 gezeigte Verbindungsanordnung untersucht (dieselben Prinzipien gelten für den äußeren Spulensatz). Diese Anordnung ist wieder schematisch in 7A mit einem gleichförmigen, extern anliegenden Störmagnetfeld H_E dargestellt, dessen Richtung normal zur Seite wie gezeigt ist.
Der die Verbindungsleiter aufgrund des Störfeldes verbindende Magnetfluss ϕ wird durch ϕ = μAH_E ausgedrückt, wobei A die Fläche der schraffierten Region zwischen den Verbindungsleitern ist.
Wie zuvor, wird die Größe der durch diesen Verbindungsfluss erzeugten Störspannung ausgedrückt durch: 2πfϕ = 2πfμAHE
Diese Interferenz trägt zum Ausgang von einer in den Spulen selbst erzeugten Spannung bei. Der einzige Weg, wie dies mit der Anordnung von 7A minimiert werden kann, besteht darin, die inneren und äußeren Leiterbahnen bzw. -spuren so nahe wie möglich zusammenzubringen, um die Fläche A minimal zu halten. Auf einer einseitigen PCB gibt es einen Mindestabstand für die beiden Bahnen, damit sie zuverlässig ohne zusätzliche Kosten verlegt werden können. Dieser Mindestabstand liegt bei der heutigen Standardtechnik bei etwa 0,3 mm. Es kann jedoch gezeigt werden, dass sogar bei diesem geringen Abstand eine Störaufnahme von den Verbindungsbahnen für typische Sondenabmessungen die Spezifikationsgrenzen von Klasse 1 überschritten werden.
Die Störaufnahme von den Verbindungsbahnen aufgrund eines gleichförmigen Magnetfeldes kann stark reduziert werden, wenn das in 7B gezeigte System verwendet wird, wie dies in der Ausgestaltung der 3 bis 6 der Fall ist. In dieser Implementation ist der Ausgang wie gezeigt und die Verbindung zwischen Spulen C1 und C7 wird mit zwei Rückkehrbahnen wie gezeigt erzielt. Wenn der schraffierte Bereich A1 gleich dem anderen schraffierten Bereich A2 ist, dann sind die Spannungen, die im Uhrzeigersinn um die Leiter um den Bereich A1 aufgrund einer Magnetflussverknüpfung induziert werden, gleich der Spannung, die im Uhrzeigersinn um die Leiter um Bereich A2 induziert wird. Die Richtungen dieser Spannungen sind einander im mittleren Leiter entgegengesetzt, der keine Spannung zwischen den Ausgangsanschlüssen induziert. Eine Spannung wird um die beiden Außenleiter induziert, so dass bewirkt wird, dass Strom in diesem Kreis fließt, aber dies hat keinen Einfluss auf die Ausgangsspannung. Für das in 4 gezeigte Bahnlayout wird dieses Störunterdrückungssystem, mit gleichgroßen Bereichen, separat für den inneren und den äußeren Spulensatz wie gezeigt implementiert.
Ein weiterer Bereich, in dem es zu Streukopplung von Magnetfeldern kommen kann, ist eine Aufnahme aufgrund der Magnetflussverbindung zwischen den Kontaktlöchern 44A/50A und 44B/50B in den mehrschichtigen Spuleneinheiten und den Paaren von Rückkehrbahnen 12B und 14B jeweils von der ersten zur letzten Spule in jedem Satz. Die Magnetflusskupplung zu diesen Kontaktlöchern ist klein, da die Länge der Kontaktlöcher klein ist. Diese Kopplung kann jedoch noch weiter dadurch minimiert werden, dass gewährleistet wird, dass die Distanz D von Kontaktlöchern 44A/44B über den Rückkehrbahnen gleich der Distanz D von Kontaktlöchern 50A/50B unterhalb der Rückkehrbahnen ist, wie in 6 zu sehen ist (man wird verstehen, dass die Kontaktlöcher 44A und 44B zwar in 6 nicht zu sehen sind, dass sie aber mit den Inseln 48A/48B zusammenfallen). Die zwischen Kontaktlöchern 44A/44B und den Rückkehrbahnen induzierte Spannung wird dann durch eine gleiche, aber entgegengesetzte Spannung zwischen den Kontaktlöchern 50A/50B und den Rückkehrbahnen ausgelöscht.
Die Erfindung ist nicht auf die hierin beschriebene Ausgestaltung begrenzt, die modifiziert oder variiert werden kann, ohne vom Umfang der Erfindung gemäß Definition in Anspruch 1 abzuweichen.

Claims

Vorrichtung zum Messen von Wechselstrom in einem Leiter, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: einen ersten Satz Spulen (52), die entlang eines Pfades, der eine imaginäre Schleife abgrenzt, in Reihe geschaltet sind, wobei die Spulen so konfiguriert sind, dass ein Leiter in das Innere der imaginären Schleife eingeführt wird, wobei die Achse des Leiters senkrecht zu einer Ebene verläuft, die die Spulen enthält, sowie Mittel (R1, R2, C_F, R_F, 20) zum Ableiten des Wechselstroms in dem Leiter als Funktion der Spannungen, die in den in Reihe geschalteten Spulen induziert werden, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule (52) mindestens eine leitende Spur bzw. Bahn (42A) umfasst, die auf einen elektrisch isolierenden Körper (32) aufgetragen ist, dadurch, dass die Spulen an einem elektrisch isolierenden Stützelement bzw. Auflagelement (60) befestigt sind und durch eine weitere leitende Spur bzw. Bahn (12A, 12B), die auf das Stützelement bzw. Auflagelement aufgetragen ist, in Reihe geschaltet sind, wobei das Stützelement bzw. Auflagelement so konfiguriert ist (16), dass der Leiter in das Innere der imaginäre Schleife eingeführt werden kann, sowie dadurch, dass die weitere leitende Spur bzw. Bahn einen inneren Spur/Bahnabschnitt (12A) und zwei äußere Rückkehrspur- bzw. Rückkehrbahnabschnitte (12B), und zwar jeweils einen auf jeder Seite des inneren Spur/Bahnabschnitts, umfasst, wobei die entsprechenden Bereiche (A1, A2) zwischen jedem Rückkehrspur- bzw. Rückkehrbahnabschnitt und dem inneren Spur/Bahnabschnitt im Wesentlichen dieselben sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die äußeren Rückkehrspur- bzw. Rückkehrbahnabschnitte (12B) im Wesentlichen parallel zu und im Wesentlichen gleich beabstandet von dem inneren Spur/Bahnabschnitt (12A) verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede der Spulen (52) im Wesentlichen identisch mit den anderen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Pfad, der eine imaginäre Schleife abgrenzt, ein kreisförmiger Pfad ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Spulen (52) im Wesentlichen um den Kreis herum gleich beabstandet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zweiter Satz Spulen (54) an dem Stützelement bzw. Auflagelement (60) entlang eines zweiten Pfades, der eine zweite imaginäre Schleife abgrenzt, befestigt ist und die Spulen des zweiten Satzes durch noch eine weitere leitende Spur bzw. Bahn (14A, 14B), die auf das Stützelement bzw. Auflagelement aufgetragen ist, in Reihe geschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei sowohl der erste als auch der zweite Satz eine Anzahl N von Spulen umfasst, wodurch eine Gesamtanzahl 2N der Spulen bereitgestellt wird, die an dem Stützelement bzw. Auflagelement befestigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei sowohl der erste als auch der zweite Pfad kreisförmig sind und ein Paar konzentrische Kreise abgrenzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Wechselstrom in dem Leiter als Funktion der Spannungen, die in dem ersten und zweiten Satz von in Reihe geschalteten Spulen induziert werden, abgeleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 8, wobei die magnetische Achse jeder Spule (52, 54) im Wesentlichen tangential zu dem jeweiligen Kreis verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei jede Spule (52) des erstens Satzes im Wesentlichen radial mit einer entsprechenden Spule (54) des zweiten Satzes ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Stützelement bzw. Auflagelement (60) so konfiguriert ist (16), dass ein Leiter in die Mitte (18) der konzentrischen Kreise eingeführt werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Spule mindestens eine leitende Spur bzw. Bahn (42A) umfasst, die auf mindestens eine Hauptfläche der mindestens einen isolierenden Schicht (32) aufgetragen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei jede Spule mindestens zwei leitende Spuren bzw. Bahnen (42A, 46A) umfasst, die auf mindestens zwei unterschiedliche Hauptflächen einer Vielzahl von im Wesentlichen parallelen laminierten isolierenden Schichten (32, 34) aufgetragen sind, wobei die mindestens zwei leitenden Spuren bzw. Bahnen durch ein Loch oder Löcher (44A) in mindestens einer der Schichten miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Spulen Stützelement bzw. Auflagelement (60) eine Isolierplatte umfasst und die Spulen auf der Platte befestigt sind, wobei die isolierende Schicht bzw. die isolierenden Schichten (30–36) im Wesentlichen senkrecht zur Platte angeordnet ist bzw. sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Isolierplatte eine Vielzahl von Öffnungen (62A, 62B) aufweist und die Spulen durch Einführen der isolierenden Schicht bzw. der isolierenden Schichten (32–36) in die Öffnungen daran befestigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder einem Unteranspruch davon, wobei der erste und zweite Satz Spulen (52, 54) in Paaren jeweils auf einem entsprechenden gemeinsamen elektrisch isolierenden Körper (32–36) gebildet sind.