DE69534775T2

DE69534775T2 - Strommessvorrichtung

Info

Publication number: DE69534775T2
Application number: DE69534775T
Authority: DE
Inventors: David Carl Somersworth Coburn
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1994-02-25
Filing date: 1995-01-17
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2015-01-18
Also published as: BR9500760A; EP0670498A1; KR950033495A; US5451865A; KR100344514B1; DE69534775D1; CN1083107C; JPH07311224A; ES2257737T3; CA2141128C; CA2141128A1; FI950870A7; TW307826B; FI114575B; FI950870A0; CN1119277A; EP0670498B1

Description

Die Erfindung betrifft Sensoren zum Messen eines Stroms und insbesondere Stromsensoren zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das mit dem erfassten Eingangsstrom in Beziehung steht.
Viele elektrische Geräte, z.B. elektronische Elektrizitätsmessgeräte und auf Induktion oder Elektronik basierende Wattstundenmessgeräte zum Erfassen eines Verbrauchs elektrischer Leistung und Energie, benötigen Stromsensoren, um den Leitungsstrom zu erfassen und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das mit dem Leitungsstrom in Beziehung steht. Diese Vorrichtungen setzen Sensoren voraus, die in einem breiten Bereich von Leitungsströmen mit Genauigkeit arbeiten.
Seit vielen Jahren wurden auf Induktion basierende Wattstundenmessgeräte verwendet, um den Stromverbrauch einzelner Stromverbraucher zu messen, wobei der Verbrauch in Kilowattstunden erfasst wird. Auf Induktion basierende Wattstundenmessgeräte weisen gewöhnlich gesonderte Spannungs- und Stromspulen auf, wobei eine rotierende Scheibe durch eine Kombination magnetischer Flüsse angetrieben wird, die von den Spulen ausgehen. Herkömmliche Induktionswattstundenmessgeräte enthalten einen Strommessschaltkreis, bei dem der den Leitungsstrom führende Leiter um (in) einen Eisenkern gewickelt ist, um eine Stromspule zu bilden. Aufgrund des Stroms in dem Leiter wird in dem Eisenkern ein magnetischer Fluss hervorgerufen. Der magnetische Fluss in dem Eisenkern treibt in Zusammenwirken mit dem von einer ähnlichen Spannungsspule ausgehenden magnetischen Fluss ei ne Scheibe mit einer Geschwindigkeit drehend an, die mit der Stromverbrauchsrate des Kunden in Beziehung steht.
Stromwandler werden in Verbindung mit den oben beschriebenen Strommessschaltungen verwendet, um verhältnismäßig hohe Leitungsströme, d. h. solche, die etwa 320 Ampere ("A") übersteigen, maßstäblich zu verkleinern, da für eine korrekte Skalierung solcher relativ hoher Leitungsströme eine unverhältnismäßig große Zahl von Windungen um den Eisenkern erfordern würde. Der Stromwandler ist zwischen dem Stromleiter und der Strommessschaltung angeordnet. Während derartige Stromwandler im Allgemeinen normiert sind, um in deren Sekundärwicklung einen nominalen Strom von 5 A zu liefern, ist es gewöhnlich möglich, einen Sekundärstrom von etwa 20 A zu ziehen, ohne die thermische Belastbarkeit des Transformators zu überfordern. Daher müssen auf Induktion basierende Wattstundenmessgeräte auch mit der Einführung eines Stromwandlers zwischen dem Leiter und dem Strommessschaltkreis noch in der Lage sein, verhältnismäßig hohe Ströme von beispielsweise 20 A zu messen.
Solche verhältnismäßig hohen Ströme lassen sich jedoch nicht durch elektronische Elektrizitätsmessgeräte, z.B. elektronische Wattstundenmessgeräte, oder sonstige elektronische Messvorrichtungen exakt erfassen, die gewöhnlich zum Messen des Verbrauchs einzelner Stromkunden elektronische oder integrierte Schaltkreise einsetzen. Die integrierten Schaltkreise sind im Wesentlichen anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise ("ASICs"), die dazu eingerichtet sind, niedrige Signalpegel aufzunehmen und zu messen, die beispielsweise gewöhnlich weniger als 2 mA und weniger als 5 Volt aufweisen. Die Stromsensoren in elektronischen Wattstundenmessgeräten müssen daher über ein hohes Übersetzungsverhältnis verfügen, um die verhältnismäßig hohen Leitungsströme auf den verhältnismäßig niedrigen Eingangspegel herunter zu skalieren, der von den integrierten Schaltkreisen des Sensors aufgenommen werden kann.
Typische Stromwandler würden unangemessen groß und kostspielig sein, wenn sie derartig niedriger Ausgangssignale erzeugen sollen. Die große Abmessung und die hohen Kosten sind zum Teil auf die Bedingung zurückzuführen, dass die Amperewindungszahlen der Primär- und Sekundärwicklung für einen einwandfreien Betrieb übereinstimmen müssen. Die Anzahl der Windungen ist ebenfalls so auszuwählen, dass der maximale Eingangsleitungsstrom auf einen Wert herunterskaliert wird, der geringer als die für den integrierten Schaltkreis vorgegebene Strombegrenzung von 2 mA ist. Da Leitungsströme gewöhnlich im Bereich von 0,5 A bis 320 A variieren, müsste das Übersetzungsverhältnis typischer Stromwandler etwa 160 000 : 1 betragen, um einen Leitungsstrom von 320 A in einen skalierten Ausgangsstrom von 2 mA zu transformieren. Für ein Übersetzungsverhältnis von 160 000 : 1 wäre allerdings eine sehr große Anzahl von Windungen und einen unangemessen großer und kostspieliger Stromwandler erforderlich.
Neben dem Nachteil der übermäßigen Abmessung und der hohen Kosten übersteuern die Magnetkreise typischer Stromwandler, falls der in einem Stromleiter fließende Wechselstrom ("AC") einem Gleichstrom ("DC") überlagert wird. Der Gleichstrom, und die damit verbundene Übersteuerung des Magnetkreises, ist im Wesentlichen auf eine Halbwellengleichrichtung von Wechselstromsignalen zurückzuführen, die durch vielfältige mit dem Stromleiter verbundene elektrische Bauelemente oder durch Nutzer hervorgerufen wird, die dem Stromleiter absichtlich Gleichstromkomponenten überlagern, um durch die Verhinderung einer korrekten Strommessung und Stromverbrauchserfassung einen Messbetrug zu begehen.
Außerdem produzieren typische Stromwandler ein magnetisches Streufeld, das benachbarte elektrische Bauelemente, z.B. weitere Stromwandler in einem mehrphasigen Wattstundenmessgerät, möglicherweise beeinflusst. Die Stromwandlung in typischen Stromwandlern kann außerdem durch einstreuende Magnetfelder externer Quellen nachteilig beeinflusst werden, die beispielsweise von benachbarten Stromsensoren ausgehen, die in mehrphasigen Wattstundenmessgeräten verwendet werden.
Ein alternativer Stromsensor für derartige typische Stromwandler ist in der im Januar 1980 ausgegebenen US-Patentschrift 4 182 982 von Wolf et al. und in der im Januar 1985 ausgegebenen US-Patentschrift 4 492 919 von Milkovic vorgeschlagen (nachstehend mit Patent '982 bzw. '919 bezeichnet). Die Patente '982 und '919 offenbaren die Aufteilung eines Stromleiters in einen oder mehrere Hauptnebenschlusspfade und einen parallelen Hilfsnebenschlusspfad, der unterschiedliche Querschnittsflächen aufweist. Der Strom teilt sich zwischen diesen beiden Nebenschlusspfaden im Wesentlichen proportional zu den Querschnittsflächen der beiden Pfade auf. Der Hilfsnebenschlusspfad erstreckt sich durch die Bohrung eines Ringmagnetkerns. Ein Stromwandler wird gebildet durch die Kombination der Ringmagnetspule, des Hilfsnebenschlusspfads, der Primärwicklung, die auf einer einzigen Windung basiert, und einer Sekundärwicklung, die auf vielen um den Ringmagnetkern gewickelten Windungen basiert.
Die Querschnittsflächen des Primärnebenschlusspfades und des Hilfsnebenschlusspfades sind jedoch möglicherweise unangemessen groß bzw. klein, um den Leitungsstrom über den großen Bereich möglicher Leitungsströme hinweg korrekt zu skalieren. Außerdem werden die parallelen Primär- und Hilfsnebenschlusspfade nicht nur durch von externen Quellen stammenden Magnetfeldern, sondern auch durch Magnetfelder beeinträchtigt, die durch den Strom in den anderen Nebenschlusspfaden erzeugt werden. Der Strom in dem Primärnebenschlusspfad wird beispielsweise durch das Magnetfeld beeinflusst, das durch den Strom in dem Hilfsnebenschlusspfad erzeugt wird. Darüber hinaus erzeugt die zwischen den parallelen Leitern vorhandene magnetische Kopplung in dem Stromteiler eine Gegeninduktivität zwischen den zwei parallelen Leitern. Diese Induktivität wandelt den verhältnismäßig einfachen Widerstandsteiler in einen komplexen Impedanzteiler um, wobei die Phasenverschiebung des Stroms in dem Hauptnebenschlusspfad und dem parallelen Hilfspfad von der Induktivität abhängt. Da eine angemessene Messgenauigkeit voraussetzt, dass sowohl der Betrag als auch der Phasenwinkel des skalierten Ausgangssignals des Stromsensors den Betrag und den Phasenwinkel des Leitungsstroms genau widerspiegeln, mindern derartige in den parallelen Nebenschlusspfaden auftretende Phasenverschiebungen, die sich ihrerseits in dem Ausgangssignal des Stromsensors widerspiegeln, die Messgenauigkeit.
Ein koaxialer Stromsensor ist in der US-Patentschrift 5 066 904 von Bullock offenbart, die am 19. November 1991 ausgegeben wurde und dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehört. Der koaxiale Stromsensor teilt den in dem Stromleiter fließenden Strom zwischen zwei koaxial angeordneten Leitern auf. Der koaxiale Innenleiter ist durch die Bohrung eines Magnetringkerns geführt und induziert in dem Ringkern eine magnetomotorische Kraft.
Mess- und Rückkopplungs-Sekundärwicklungen sind ebenfalls um den Ringkern gewickelt. Aufgrund der zeitlichen Veränderungsrate der magnetomotorischen Kraft in dem Ringkern wird eine zu der Veränderungsrate proportionale Spannung in der Messwicklung induziert. Ein Verstärker, der auf die in der Mess-Sekundärwicklung induzierte Spannung anspricht, gibt an die Rückkopplungs-Sekundärwicklung ein Regelungs- oder Kompensationssignal aus. Der aufgrund des Regelungssignals in der Rückkopplungswicklung fließende Strom erzeugt eine magnetomotorische Kraft in dem Ringkern, die hinsichtlich des Betrages im Wesentlichen gleich und hinsichtlich der Polarität entgegengesetzt zu der durch den Strom in dem koaxialen Innenleiter induzierten magnetomotorischen Kraft ist. Die resultierende magnetomotorische Nettowechselstromkraft in dem Magnetringkern ist in einer Dauerbetriebsbedingung im Wesentlichen gleich Null. Die Wahrscheinlichkeit einer Übersteuerung des Ringkerns ist daher erheblich verringert. Darüber hinaus wird jeder Strom, der in dem Magnetringkern in erster Linie auf Änderungen des Eingangsstroms zurückzuführen ist, in Beziehung stehend mit dem in dem koaxialen Innenleiter fließenden Strom induziert. Die zweite Rückkopplungs-Sekundärwicklung erzeugt ebenfalls den Ausgangsstrom, der proportional zu dem Strom in dem koaxialen Innenleiter ist.
Ein Differenzstromsensor ist in der US-Patentanmeldung S.N. 08/043 903 offenbart, die am 7. April 1993 eingereicht wurde und dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehört (EP-A-0 627 630, 94302247.5). Der Differenzstromsensor teilt einen Eingangsleitungsstrom in einen ersten und zweiten Anteil auf, die ein vorbestimmtes Verhältnis zueinander aufweisen. Die Stromdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anteil wird anschließend beispielsweise durch eine Ringwicklung erfasst, die mit dem ersten und zweiten Anteil des Eingangsstroms magnetisch gekoppelt ist. Basierend auf der erfassten Stromdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anteil wird ein Ausgangsstrom erzeugt, der mit der Stromdifferenz und daher mit dem Eingangsstrom in Beziehung steht.
Insbesondere teilt sich der Eingangsstrom in einen ersten und zweiten Anteil auf und wird durch einen ersten bzw. zweiten Leiter geleitet, die sich durch eine Bohrung der Ringwicklung erstrecken. Der erste Anteil des Eingangsstroms fließt in einer ersten Richtung durch die Bohrung der Ringwicklung, während der zweite Anteil des Eingangsstroms in einer gegenüber der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung durch die Bohrung der Ringwicklung fließt. Die Stromdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Anteil induziert daher in der Ringwicklung eine Spannung.
Der Differenzstromsensor enthält vorzugsweise Mittel zum magnetischen Messen der in der Ringwicklung induzierten Spannung und erzeugt in Antwort darauf einen Ausgangsstrom. Das Mittel zum magnetischen Messen der Stromdifferenz basiert gewöhnlich auf Mess- und Rückkopplungs-Sekundärwicklungen, die, wie oben beschrieben, um den Ringmagnetkern gewickelt sind.
Während die Koaxial- und Differenzstromsensoren große Fortschritte in der Technik des Messens und Skalierens von Leitungsströmen bedeuten, sind insbesondere für den Einsatz in Elektrizitätsmessgeräten, z.B. elektronischen Wattstundenmessgeräten, weitere Verbesserungen erwünscht. Insbesondere sind die koaxialen Leiter des koaxialen Stromsensors aufgrund des Magnetfelds, das durch den in jedem der Leiter fließenden Strom erzeugt wird, und aufgrund der sich ergebenden Selbstinduktivität in dem anderen Leiter magnetisch gekoppelt. Diese Gegeninduktivität ruft in dem resultierenden skalierten Ausgangsstrom eine Phasenverschiebung oder einen Phasenfehler hervor.
Da das Verhältnis, in dem der Strom zwischen den koaxialen Leitern aufgeteilt ist, von den Querschnittsflächen der Leiter abhängt, kann das Verhältnis der Stromteilung darüber hinaus durch Trimmen der Widerstände der Leiter, beispielsweise durch Ausbohren eines Teils des Materials aus einem ersten Ende des Leiters angepasst werden. Dieses Abtragen oder Ausbohren der Leiter kann aufgrund der fluchtenden Ausrichtung und der Abmessungen der Leiter schwierig sein. Außerdem weisen sowohl die Koaxial- als auch die Differenzstromsensoren eine verhältnismäßig komplizierte Kon struktion auf und sind dementsprechend möglicherweise in der Herstellung kostspielig.
Darüber hinaus verläuft die Bohrung des Ringkerns des Differenzstromsensors im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten und zweiten Stromanteil, die außerhalb der Bohrung durch den Stromsensor geleitet werden. Dementsprechend ist der magnetische Fluss, der durch den Strom induziert wird, der durch den Stromsensor außerhalb der Bohrung des Ringkerns geleitet wird, magnetisch an die Mess- und Rückkopplungs-Sekundärwicklungen gekoppelt, so dass eine Phasenverschiebung in dem skalierten Ausgangsstrom eingeführt wird. Außerdem weisen sowohl die Koaxial- als auch die Differenzstromsensoren eine verhältnismäßig komplizierte Konstruktion auf und sie sind dementsprechend möglicherweise in der Herstellung kostspielig.
Die US-A-4 835 463 offenbart einem Stromsensor in einer Konfiguration einer unsymmetrischen isothermen Brücke, wohingegen die Patentanmeldungen US-A-5 223 790 und GB-A-2 199 149 Stromsensoren offenbaren, die auf Stromteilerkonfigurationen basieren.
Während es erwünscht wäre, insbesondere für den Einsatz zum Messen von Leitungsströmen in Elektrizitätsmessgeräten, z.B. in elektronischen Wattstundenmessgeräten, über einen Stromsensor verfügen zu können, der einen Ausgangsstrom mit einem Betrag und einem Phasenwinkel erzeugt, der mit einem Eingangsstrom in Beziehung steht, weisen Stromsensoren daher immer noch eine Reihe von Mängeln auf, z.B. eine komplizierte und kostspielige Konstruktion und eine unerwünschte magnetische Kopplung, die zu Phasenverschiebungen in dem Ausgangssignal führt. Insbesondere wäre es erwünscht, für den Einsatz in Elektrizitätsmessgeräten, die elektronische oder integrierte Schaltkreise verwenden, um den Stromverbrauch eines Kunden zu erfassen, über einen Stromsensor mit einer verhältnismäßig einfachen Konstruktion zu verfügen, der ein mit dem Betrag und der Phase des Eingangsstroms in Beziehung stehendes Ausgangssignal in der Größenordnung von etwa 2-3 mA erzeugt.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Messen eines Eingangsstroms zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, um ein Eingangsstromsignal zu messen und ein dazu in Beziehung stehendes Ausgangsstromsignal zu erzeugen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen eines Eingangsstromsignals und zum Erzeugen eines Ausgangsstromsignals zu schaffen, das hinsichtlich des Betrages und der Phase mit dem Eingangsstromsignal in Beziehung steht.
Diese und andere Aufgaben werden gemäß der Erfindung durch einen Stromsensor nach Anspruch 1 gelöst.
Zu dem Stromsensor gehören eine erste und zweite leitende Einrichtung, die durch eine Zwischenverbindungseinrichtung verbunden sind, an die eine Messeinrichtung magne tisch gekoppelt ist. Die erste leitende Einrichtung leitet einen ersten Anteil des Eingangsstroms und enthält erste und zweite Leiter mit ersten bzw. zweiten vorbestimmten Widerstandswerten. Die zweite leitende Einrichtung leitet einen zweiten Anteil des Eingangsstroms und enthält dritte und vierte Leiter mit dritten bzw. vierten vorbestimmten Widerstandswerten.
Die Zwischenverbindungseinrichtung enthält vorzugsweise einen mittleren oder fünften Leiter, gewöhnlich einen fünften Widerstand, der einen fünften vorbestimmten Widerstandswert aufweist und sich ausgehend von einem ersten Ende zwischen dem ersten und zweiten Leiter zu einem zweitem Ende zwischen dem dritten und vierten Leiter erstreckt, um eine Brückenschaltung zu bilden. In dem Zwischenverbindungsleiter kommt es zu einem Strom, der in einer vorbestimmten Beziehung zu dem Eingangsstrom steht. Die Messeinrichtung wiederum erzeugt ein Ausgangssignal, das mit dem in dem Zwischenverbindungsleiter fließenden Strom in Beziehung steht. Dieser Ausgangsstrom kann durch einen integrierten Schaltkreis in einem elektronischen Elektrizitätsmessgerät, z.B. einem elektronischen Wattstundenmessgerät, gemessen werden, um den Stromverbrauch eines Verbrauchers genau zu erfassen.
Die Messeinrichtung ist vorzugsweise ein ringförmiger Stromkomparator und enthält eher bevorzugt einen Ringkern, der mit einer Bohrung ausgebildet ist, die sich durch diesen hindurch erstreckt. Der Zwischenverbindungsleiter erstreckt sich durch die Bohrung des Ringkerns und bildet, in Zusammenwirken eine auf einer einzigen Windung basierende Primärwicklung für einen Stromkomparator. Der durch den Zwischenverbindungsleiter geleitete Strom induziert eine mit diesem in Beziehung stehende magnetomotorische Kraft in dem Ringkern. Indem der in dem Zwischenverbindungsleiter fließende Strom, und damit der Eingangsstrom mittels der induzierten magnetomotorischen Kraft gemessen wird, ist das Ausgangssignal von dem Eingangsstrom isoliert, so dass Spannungseinschwingvorgänge in dem Eingangsstrom unterdrückt sind, und der Stromsensor geschützt ist.
Die Messeinrichtung enthält ferner vorzugsweise eine Einrichtung zum magnetischen Messen der zeitlichen Veränderungsrate der in dem Ringkern induzierten magnetomotorischen Kraft. Die Einrichtung zum magnetischen Messen der zeitlichen Veränderungsrate der in dem Ringkern induzierten magnetomotorischen Kraft enthält vorzugsweise eine Sekundärwicklung, die um den Ringkern gewickelt ist und mit diesem magnetisch gekoppelt ist, um das Ausgangssignal zu erzeugen. Die Einrichtung zum magnetischen Messen der zeitlichen Veränderungsrate der in dem Ringkern induzierten magnetomotorischen Kraft enthält eher bevorzugt eine Rückkopplungs-Sekundärwicklung und eine Mess-Sekundärwicklung, wobei jede Sekundärwindung um den Ringkern gewickelt ist und mit diesen magnetisch gekoppelt ist, wobei dazwischen ein Verstärkerschaltkreis angeordnet ist. Die Kombination der Rückführungs- und Mess-Sekundärwicklungen und des zugehörigen Verstärkerschaltkreises erzeugt das Ausgangssignal, das mit dem Betrag und der Phase des Eingangsstromsignals in Beziehung steht und vorzugsweise zu diesem proportional ist. Die Sekundärwicklungen und der zugehörige Verstärkerschaltkreis induzieren in dem Ringkern ferner eine magneto motorische Kraft, die hinsichtlich des Betrages gleich und hinsichtlich der Polarität entgegengesetzt zu der durch den Strom in dem Zwischenverbindungsleiter induzierten magnetomotorischen Kraft ist, so dass die magnetomotorische Nettowechselstromkraft in dem Magnetkreis im Dauerbetrieb etwa gleich Null ist, und jede Änderungen der magnetomotorischen Kraft in dem Ringkern auf eine Änderung des Stroms in den Zwischenverbindungsleitern zurückzuführen ist.
Das Verhältnis der ersten und zweiten vorbestimmten Widerstandswerte der ersten und zweiten Leiter zu den dritten und vierten vorbestimmten Widerstandswerten der dritten und vierten Leiter bleibt bei einer Änderung der Temperatur der Leiter konstant. Insbesondere basieren der erste und vierte Leiter sowohl auf einem ersten Material, z.B. Copel, i.e. eine Kupfer-Nickel-Legierung, oder Manganin, i.e. eine Magnesium-Kupfer-Legierung, als auch einem zweiten Material, z.B. Kupfer. Die zweiten und dritten Leiter basieren lediglich auf dem zweiten Material, z.B. Kupfer. Der spezifische Widerstand des ersten Materials ändert sich vorzugsweise in Abhängigkeit von der Temperatur nur unerheblich. Allerdings variiert der spezifische Widerstand des zweiten Materials, z.B. Kupfer, mit der Temperatur. Dementsprechend wird das Verhältnis der Anteile des ersten und zweiten Materials, auf denen die Leiter basieren, geeignet ausgewählt, so dass sich das Verhältnis der ersten und zweiten vorbestimmten Widerstandswerte zu den dritten und vierten vorbestimmten Widerstandswerten temperaturunabhängig ist.
Außer von den spezifischen Eigenschaften der Materialien, aus denen die Leiter gefertigt sind, hängen die Wi derstände der Leiter im Wesentlichen von deren jeweiligen Querschnittsflächen ab. Die entsprechenden Widerstandswerte lassen sich daher ohne weiteres trimmen oder anpassen, indem die Leiter mit Aussparungen versehen werden oder von den Leitern Material abgetragen wird, um das geeignete Verhältnis zwischen den ersten und zweiten vorbestimmten Widerstandswerten zu den dritten und vierten vorbestimmten Widerstandswerten zu erhalten.
Die ersten und dritten Widerstände bilden vorzugsweise ein erstes im Wesentlichen U-förmiges Element, das einen ersten und zweiten Arm aufweist, und sie sind an ihren entsprechenden ersten Enden mit einem ersten Bein verbunden. Die zweiten und vierten Widerstände bilden ebenfalls vorzugsweise ein zweites im Wesentlichen U-förmiges Element, das einen ersten und zweiten Arm aufweist, und sie sind vorzugsweise an deren entsprechenden ersten Enden mit den zweiten Enden der ersten bzw. dritten Widerstände und an deren zweiten Enden mit einem zweiten Bein verbunden. Der Zwischenverbindungsleiter ist vorzugsweise ein Draht, der die entsprechenden zweiten Enden der ersten und dritten Widerstände verbindet, und erstreckt sich durch die Bohrung eines Ringkerns. Die durch die Bohrung des Ringkerns definierte Längsachse verläuft vorzugsweise parallel zu den ersten und zweiten im Wesentlichen U-förmigen Elementen, um die magnetische Kopplung zwischen dem Strom in den im Wesentlichen U-förmigen Elementen und in den um den Ringkern gewickelten Sekundärwicklungen zu verringern. Der Eingangsstrom wird vorzugsweise durch das erste Bein geleitet, während der Ausgangsstrom vorzugsweise durch das zweite Bein geleitet wird. Darüber hinaus sind das erste und das zweite Bein vorzugsweise geeignet konstruiert, um zu herkömmlichen Messgeräteanschlussbuchsen zu passen und zu diesen einen elektrischen Kontakt herzustellen.
Die Strommessvorrichtung dieser Erfindung ermöglicht es, ein Eingangsstromsignal zu messen und ein Ausgangsstromsignal zu erzeugen, das mit dem Betrag und der Phase des Eingangsstromsignals in Beziehung steht, das auf dem in dem Zwischenverbindungs- oder Innenleiter einer unsymmetrischen Brückenschaltung fließenden Strom basiert. Das Ausgangsstromsignal steht mit dem Betrag und der Phase des Eingangsstromsignals in Beziehung, da der Strom in dem Zwischenverbindungs- oder Innenleiter der Brückenschaltung direkt proportional zu dem von der Brückenschaltung aufgenommenen Eingangsstromsignal ist. Darüber hinaus verringert der Stromsensor der vorliegenden Erfindung Phasenfehler des Ausgangssignals, die auf Gegeninduktivität oder Kopplung zwischen dem ersten und zweiten Leiterzweig und den um den Ringkern gewickelten Sekundärwicklungen zurückzuführen sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stromsensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt in einer vergrößerten Schnittansicht den Stromsensor nach 1 längs der Schnittlinie 2-2 nach 1.
3 zeigt den Stromsensor nach 1 in einem elektrischen Schaltschema.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Stromsensors gemäß der vorliegenden Erfindung, der die Ringwicklung und Mess- und Rückkopplungs-Sekundärwicklungen aufweist.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Die vorliegende Erfindung wird nun im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen eingehender beschrieben, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Die Erfindung kann jedoch in vielfältiger Form verwirklicht werden und sollte nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsbeispiele beschränkt bewertet werden; vielmehr dient dieses Ausführungsbeispiel dazu, dass diese Offenbarung gründlich und vollständig ist, und dem Fachmann den Schutzumfang der Erfindung vollkommen verständlich macht. Übereinstimmende Bezugsziffern bezeichnen durchweg gleichartige Elemente.
Mit Bezugnahme auf 1 und 3 wird ein Stromsensor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Der Stromsensor 10 enthält eine erste und zweite leitende Einrichtung 13 bzw. 15, beispielsweise einen ersten und zweiten Zweig, die dazu dienen, einen ersten bzw. zweiten Anteil eines Eingangsstroms I_IN zu leiten, und eine Zwischenverbindungseinrichtung, z.B. einen Innenleiter 20, der sich zwischen dem ersten und zweiten Zweig 13 und 15 erstreckt, um eine Brückenschaltung zu bilden. Der Stromsensor 10 ent hält ferner eine Messeinrichtung 11, die magnetisch mit dem Innenleiter 20 gekoppelt ist, um ein Ausgangssignal I_OUT zu erzeugen, das hinsichtlich der Phase und des Betrages mit dem Eingangsstrom I_IN in Beziehung steht.
Wie schematisch in 3 gezeigt, enthält die erste leitende Einrichtung oder der erste Zweig 13 einen ersten und zweiten Leiter 12 und 14, die erste bzw. zweite vorbestimmte Widerstandswerte aufweisen. Desgleichen enthält die zweite leitende Einrichtung oder der zweite Zweig 15 einen dritten und vierten Leiter 16 und 18, die dritte bzw. vierte vorbestimmte Widerstandswerte aufweisen. Darüber hinaus weist die Zwischenverbindungseinrichtung oder der Innenleiter 20, der ebenfalls vorzugsweise ein Widerstandselement ist, einen fünften vorbestimmten Widerstandswert auf und erstreckt sich von einem ersten Ende 22 zwischen dem ersten und zweiten Leiter 12 und 14 der ersten leitenden Einrichtung zu einem zweiten Ende 24 zwischen dem dritten und vierten Leiter 16 und 18 der zweiten leitenden Einrichtung.
Der erste Zweig 13 leitet einen ersten Anteil I₁ des Eingangsstroms I_IN, und der zweite Zweig 15 leitet einen zweiten Anteil I₂ des Eingangsstroms I_IN. Die Brückenschaltung ist unsymmetrisch, so dass der erste und zweite Anteil des Stroms in dem ersten und zweiten Zweig 13 bzw. 15 nicht übereinstimmen, und über den Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20 eine Spannungsdifferenz entsteht. Dementsprechend fließt ein Strom I_C in dem Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20. Der Strom in dem Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20 steht mit dem ersten und zweiten Anteil des Eingangsstroms I_IN in dem ersten und zweiten Zweig 13 bzw. 15 in Beziehung und steht daher mit dem Eingangsstrom I_IN in Beziehung. Insbesondere ist der Strom in dem Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20 direkt proportional zu dem Eingangsstrom I_IN und lässt sich wie folgt berechnen:
Wobei R₁, R₂, R₃, R₄ und R_C die Widerstandswerte des ersten, zweiten, dritten, vierten Leiters bzw. des Zwischenverbindungsleiters sind.
Typischerweise sind der erste und vierte vorbestimmte Widerstandswert geeignet ausgewählt, so dass sie erheblich größer sind als sowohl der zweite als auch der dritte vorbestimmte Widerstandswert. Beispielsweise sind der erste und vierte vorbestimmte Widerstandswert vorzugsweise fünfundzwanzig bis vierzig mal größer als der zweite und dritte vorbestimmte Widerstandswert. Damit lässt sich die Gleichung (1) vereinfachen zu:
Auf diese Weise lassen sich basierend auf dem für einen vorbestimmten Eingangsstrom I_IN gewünschten Wert des Stromes I_C in dem Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20 der erste und vierte Widerstandswert sowie der Widerstandswert des Zwischenverbindungs- oder Innenleiters 20 bestimmen. Alternativ lässt sich das Verhältnis des Stroms I_C in dem Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20 zu dem Eingangsstrom I_IN für vorbestimmte erste, vierte und Zwischenverbindungswiderstandswerte wie folgt bestimmen:
Die Messeinrichtung 11 erzeugt ein Ausgangssignal I_OUT, das mit dem Strom I_C in dem Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20 in Beziehung steht und vorzugsweise zu diesem proportional ist. Vorzugsweise enthält die Messeinrichtung 11 einen ringförmigen Stromkomparator und eher bevorzugt einen Ringkern 26, der mit einer Bohrung 28 ausgebildet ist, die sich, wie in 2 und 3 veranschaulicht, durch den Ringkern hindurch erstreckt. Der Ringkern 26 ist im Wesentlichen aus einem Material wie Ferrit gefertigt. Wie in 2 zu sehen und wie schematisch in 3 gezeigt, erstreckt sich der Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20 vorzugsweise durch die Bohrung 28 des Ringkerns 26 und ist magnetisch mit diesem gekoppelt.
Insbesondere induziert der in dem Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20 fließende Strom I_C in dem Ringkern 26 einen magnetischen Fluss oder eine magnetomotorische Kraft. Die in dem Ringkern 26 induzierte magnetomotorische Kraft steht mit dem in dem Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20 fließenden Strom I_C in Beziehung und ist vorzugsweise proportional zu diesem und steht daher mit dem Eingangsstrom I_IN in Beziehung und ist vorzugsweise zu diesem proportional. Durch Messen des Eingangsstrom I_IN auf der Grundlage der induzierten magnetomotorischen Kraft, ermöglicht der Stromsensor 10 eine Isolierung zwischen dem Ausgangssignal I_OUT und dem Eingangsleitungsstrom I_IN, so dass in dem Eingangsstrom I_IN auftretende Hochspannungseinschwingvorgänge unterdrückt werden und der Stromsensor 10 davor geschützt ist.
Die Messeinrichtung 11 enthält ferner vorzugsweise eine Einrichtung zum magnetischen Messen der zeitlichen Veränderungsrate der in dem Ringkern 26 induzierten magnetomotorischen Kraft. Die Einrichtung zum magnetischen Messen der zeitlichen Veränderungsrate der magnetomotorischen Kraft in dem Ringkern 26 enthält vorzugsweise eine Sekundärwicklung, die um den Ringkern 26 gewickelt und magnetisch mit diesem gekoppelt ist, um das Ausgangssignal I_OUT zu erzeugen.
Eher bevorzugt enthält die Einrichtung zum magnetischen Messen der zeitlichen Veränderungsrate der innerhalb des Ringkerns 26 auftretenden magnetomotorischen Kraft, wie in 3 veranschaulicht, eine Rückkopplungs-Sekundärwicklung 30, eine Mess-Sekundärwicklung 32 und einen Verstärkerschaltkreis 34. In der Messwicklung 32 wird aufgrund der zeitlichen Veränderungsrate der magnetomotorischen Kraft in dem Ringkern 26 eine zu der magnetomotorischen Kraft proportionale Spannung induziert. Der Verstärkerschaltkreis 34 spricht auf die in der Messwicklung 32 induzierte Spannung an und gibt an die Rückkopplungswicklung 30 ein Regelungs- oder Kompensationssignal aus. Der auf dem Regelungssignal basierende Strom in der Rückkopplungswicklung 30 ruft in dem Ringkern 26 eine magnetomotorische Kraft hervor, die hinsichtlich des Betrages im Wesentlichen gleich und hinsichtlich der Polarität gegenüber der magnetomotorischen Kraft, die durch den in dem Zwischenverbindungsleiter 20 fließenden Strom induziert wird, entgegengesetzt ist. Die sich ergebende magnetomotorische Nettowechselstromkraft in dem Ringkern 26 ist in einer Dauerbe triebsbedingung im Wesentlichen gleich Null. Jede aufgrund einer Änderung des Eingangsstroms I_IN in dem Ringkern 26 induzierte magnetomotorische Kraft wird daher in Abhängigkeit von dem in dem Zwischenverbindungsleiter 20 fließenden Strom I_C induziert, da die Aufrechterhaltung einer minimalen magnetomotorischen Nettokraft im Dauerbetrieb verhindert, dass der Ringkern 26 übersteuert wird. Die Rückkopplungs-Sekundärwicklung 30 gibt ferner das Ausgangssignal I_OUT aus, das mit dem Betrag und der Phase des Eingangsstromsignals I_IN in Beziehung steht und vorzugsweise zu diesem proportional ist.
Um die großen Übersetzungsverhältnisse zu erreichen, die für elektronische Wattstundenmessgeräte, die integrierte Schaltkreise verwenden, erforderlich sind, sieht der Stromsensor 10 der vorliegenden Erfindung zwei getrennte Transformationen vor, die zwei Übersetzungsverhältnisse definieren. Das Produkt der beiden Übersetzungsverhältnisse ist das Übersetzungsverhältnis des gesamten Stromsensors 10 und definiert die Beziehung zwischen dem Betrag des erfassten Ausgangssignals I_OUT und demjenigen des Eingangsstroms I_IN.
Insbesondere ist ein erstes Übersetzungsverhältnis durch die zwischen dem Strom I_C in dem Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20 und dem Eingangsstrom I_IN bestehende Beziehung, wie in Gleichung (3) gezeigt, vorgesehen. In einem Ausführungsbeispiel definiert die erste Brückenschaltung vorzugsweise ein Übersetzungsverhältnis von 3:200, so dass in dem Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20 in Antwort auf einen Eingangsstrom I_IN von 200 A ein Strom I_C von 3 A fließt.
Das zweite Übersetzungsverhältnis wird durch die Anzahl von um den Ringkern 26 gewickelten Sekundärwicklungswindungen definiert. Insbesondere stimmen die Amperewindungszahlen vorzugsweise sowohl für die primäre als auch für die sekundäre Seite des Stromkomparators überein. Während der Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20 effektiv eine Primärwicklung bildet, die eine einzige Windung um den Ringkern 26 aufweist, kann die Anzahl von Windungen der Rückkopplungs-Sekundärwicklung 30 variiert werden, um das Ausgangssignal I_OUT zu optimieren. Somit ist das Produkt der einzigen Primärwindung und dem Strom in dem Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20, d. h. 1 Windung × 3 A = 3 Amperewindungen, gleich dem Produkt der Anzahl der Windungen der Rückkopplungs-Sekundärwicklung 30 und dem dadurch erzeugten Ausgangssignal I_OUT. Folglich wird durch ein Erhöhen der Anzahl der Windungen der Rückkopplungs-Sekundärwicklung 30 das sich ergebende Ausgangssignal I_OUT entsprechend vermindert, so dass die Amperewindungen der primären und der sekundären Seite des Stromkomparators übereinstimmen.
Das Übersetzungsverhältnis für den gesamten Stromsensor 10, und auf diese Weise die Beziehung zwischen dem Betrag des Ausgangssignals I_OUT und des Eingangsstroms I_IN, ist ein Produkt des ersten Übersetzungsverhältnisses, das durch das Verhältnis des Stroms I_C in dem Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20 zu dem Eingangsstrom I_IN definiert ist, und des zweiten Übersetzungsverhältnisses, das auf der Amperewindungsbeziehung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen des Ringkerns 26 basiert, der den Stromkomparator bildet. Insbesondere skaliert das Übersetzungsverhältnis für den gesamten Stromsensor 10 vorzugsweise den Eingangsleitungsstrom I_IN zu einem Ausgangsstrom I_OUT von etwa 2 mA, so dass der Ausgangsstrom I_OUT von einem zugeordneten integrierten Schaltkreis oder ASIC aufgenommen werden kann.
Dementsprechend muss das Übersetzungsverhältnis für den gesamten Stromsensor 10 im Falle eines elektronischen Wattstundenmessgeräts, das darauf eingerichtet ist, einen maximalen Eingangsstrom von 200 A zu empfangen, 100 000 : 1 betragen, um einen Ausgangsstrom I_OUT von 2 mA zu erzeugen. Wie erläutert, ruft das durch die Brückenschaltung geschaffene erste Übersetzungsverhältnis basierend auf einem Eingangsstrom I_IN von 200 A einen Strom von 3 A in dem Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20 hervor. Somit erzeugt das durch die Amperewindungsbeziehung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen des Ringkerns 26 geschaffene zweite Übersetzungsverhältnis basierend auf dem in dem Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20 fließenden Strom von 3 A vorzugsweise einen Ausgangsstrom I_OUT von 2 mA. Das Verhältnis der Sekundärwicklungen zu der durch den Zwischenverbindungsleiter 20 gebildeten einen Primärwindung muss daher 1500 : 1 betragen, um das zweite Übersetzungsverhältnis zu schaffen.
Wie in den 1 und 2 zu sehen, basieren der erste und vierte Leiter 12 und 18 auf einer Kombination eines ersten und zweiten Materials. Im Gegensatz dazu sind der zweite und dritte Leiter 14 und 16 ausschließlich aus dem zweiten Material gefertigt. Während vielfältige Materialien eingesetzt werden können, ohne von dem in den Ansprüchen definierten Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, ist das erste Material vorzugsweise eine Kupfer-Nickel-Legierung, z.B. Copel, oder eine Magnesium-Kupfer-Legierung, z.B. Manganin. Vorzugsweise ist der spezifische Widerstand des ersten Materials nur unwesentlich temperaturabhängig. Der spezifische Widerstand von Manganin ändert sich beispielsweise um 0,000015 Ω/°C.
Das zweite Material, z.B. Kupfer oder Aluminium, weist dagegen vorzugsweise einen verhältnismäßig niedrigen spezifischer Widerstand im Vergleich zu dem ersten Material auf. Beispielsweise ist der spezifische Widerstand des ersten Materials vorzugsweise wenigstens fünfundzwanzig mal größer als jener des zweiten Materials. Der Widerstand des zweiten und dritten Leiters 14 und 16 ist daher im Vergleich zu. jenem des ersten und vierten Leiters 12 und 18, die auf dem ersten Material mit einem verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand basieren, vorzugsweise gering. Allerdings ist der spezifische Widerstand des zweiten Materials gewöhnlich in der Tat temperaturabhängig.
Obwohl der spezifische Widerstand des zweiten Materials von der Temperatur abhängt, ist der Betrieb des Stromsensors 10 temperaturunabhängig. Daher ist das durch die vorbestimmten Widerstandswerte der entsprechenden Leiter festgelegte Übersetzungsverhältnis zwangsläufig temperaturunabhängig. Das Verhältnis des ersten und zweiten vorbestimmten Widerstandswerts zu dem dritten und vierten vorbestimmten Widerstandswert ist daher bei einer Temperaturän derung der Leiter konstant. Der relative Betrag und die Phase des Stroms I_C in dem Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20 gegenüber dem Eingangsstrom I_IN ist daher bei einer Temperaturänderung konstant.
Da das zweite Material, z.B. Kupfer, einen spezifischen Widerstand aufweist, der mit der Temperatur variiert, basiert jeder Leiter auf vorbestimmten Anteilen des zweiten Materials, so dass das Verhältnis des ersten und zweiten vorbestimmten Widerstandswerts zu dem dritten und vierten vorbestimmten Widerstandswert insgesamt von den Temperaturunterschieden unabhängig ist. Insbesondere muss sich der Zwischenverbindungs- oder Innenleiter 20 nicht linear verhalten, kann jedoch, wie in 1 und 2 gezeigt, dazu eingerichtet sein, dass jeder Leiter den vorbestimmten Anteil des zweiten Materials enthält. Beispielsweise kann das eine Ende, z.B. das zweite Ende 24, wie in 1 und 2 gezeigt, wahlweise so positioniert werden, dass das Verhältnis der Widerstände des ersten und zweiten Zweigs konstant und von der Temperatur unabhängig bleibt.
Neben den Eigenschaften des Materials, aus dem die Leiter gefertigt sind, bestimmen die Querschnittsflächen der Leiter den Widerstand derselben. Um die entsprechenden Widerstände der Leiter einzustellen oder zu trimmen, kann eine Aussparung oder ein Anschliff 36 in mindestens einen der Leiter gefräst werden, oder es kann, wie in 1 gezeigt, von einem der Leiter Material in sonstiger Weise abgenommen werden, um seinen Widerstand zu erhöhen und den darin fließenden Strom zu verringern. Der Widerstand des gefrästen Leiters hängt unmittelbar von der Abmessung der Ausnehmung oder des Anschliffs 36 oder der Menge des entfernten Materials ab, wobei eine große Aussparung einen höheren Widerstand hervorruft, oder die Entfernung größerer Mengen an Material den Widerstand steigert. Dementsprechend ist es möglich die vorbestimmten Widerstandswerte der Leiter noch genauer einzustellen, und das Verhältnis der Widerstände des ersten und zweiten Zweigs kann folglich durch ein derartiges Einstellen oder Trimmen der Leiter erzielt werden.
Der Zwischenverbindungsleiter 20 basiert ebenfalls vorzugsweise auf dem ersten Material. Dementsprechend weist der Zwischenverbindungsleiter 20 im Vergleich zu dem zweiten und dritten Leiter 14 und 16, die auf dem zweiten Material basieren, einen verhältnismäßig großen Widerstand auf. Der Widerstand des Zwischenverbindungsleiters 20 ist aufgrund seiner gegenüber den übrigen Leitern verhältnismäßig geringen Querschnittsfläche und aufgrund seiner Länge zusätzlich erhöht.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, wird der Eingangsstrom vorzugsweise über ein gewöhnlich aus Kupfer oder Aluminium gefertigtes erstes Bein 38 zugeführt, mit dem ein erstes Ende sowohl des ersten als auch des zweiten Zweigs verbunden ist. Die zweiten Enden sowohl des ersten als auch des zweiten Zweigs sind vorzugsweise mit einem zweiten Bein 40 verbunden, das den Ausgangslaststrom I₀ zu der zu messenden elektrischen Last des Verbrauchers leitet. Das erste und zweite Bein 38 und 40 sind geeignet konstruiert, um zu einer Standardmessgeräteanschlussbuchse oder Befestigungsvorrichtung zu passen und sich mit dieser elektrisch ver binden zu lassen, um eine Messung des Ausgangslaststroms I₀ zu ermöglichen, der dem Kunden geliefert wird.
Wie ebenfalls in den 1 und 2 gezeigt, bilden der erste und dritte Leiter 12 und 16 vorzugsweise ein erstes im Wesentlichen U-förmiges Element, das einen ersten und zweiten Arm aufweist, und sie sind an ihren jeweiligen ersten Ende mit dem ersten Bein 38 verbunden. Desgleichen bilden der zweite und vierte Leiter 14 und 18 vorzugsweise ein zweites im Wesentlichen U-förmiges Element, das einen ersten und zweiten Arm aufweist, und sie sind an ihren jeweiligen ersten Ende mit dem zweiten Bein 40 verbunden. Weiter sind das erste und zweite im Wesentlichen U-förmige Element vorzugsweise mittels Elektronenstrahlschweißen an dem ersten bzw. zweiten Bein befestigt.
Das zweite Ende des ersten und zweiten Arms des ersten im Wesentlichen U-förmigen Elements ist mit dem zweiten Ende des ersten bzw. zweiten Arm des zweiten im Wesentlichen U-förmigen Elements verbunden. Darüber hinaus sind das erste und zweite im Wesentlichen U-förmige Element, wie in
1 und 2 gezeigt, vorzugsweise koplanar. Weiter ist der Innenleiter 20 vorzugsweise ein Draht, der sich zwischen dem entsprechenden zweiten Ende des ersten Arms sowohl des ersten als auch des zweiten im Wesentlichen U-förmigen Elements und dem entsprechenden zweiten Ende des zweiten Arms des ersten und des zweiten im Wesentlichen U-förmigen Elements erstreckt.
Wie in 2 zu sehen und in 3 schematisch dargestellt, verläuft der Draht durch die Bohrung 28 eines Ringkerns 26. Die Bohrung 28 definiert eine Längsachse 28a, die weitgehend parallel und eher bevorzugt koplanar gegenüber dem ersten und zweiten im Wesentlichen U-förmigen Element verläuft. Dementsprechend ist die magnetische Kopplung zwischen dem Strom in dem ersten und zweiten im Wesentlichen U-förmigen Element und den um den Ringkern 26 gewickelten Sekundärwicklungen verringert, und Phasenfehler zwischen dem Ausgangsstrom I_OUT und dem Eingangsleitungsstrom I_IN werden folglich reduziert.
Während die spezielle Konfiguration des Stromsensors 10 in weitem Maße variiert werden kann, ist es bevorzugt, dass die Messeinrichtung 11 in ein Isoliermaterial 42 eingekapselt ist, um deren Betrieb und Langlebigkeit zu fördern. Eher bevorzugt basiert dieses Isoliermaterial auf einem Kunststoffmaterial.
Darüber hinaus sind die in 1 von der eingekapselten Messeinrichtung 11 ausgehenden Drahtleitungen 44 mit einem (nicht dargestellten) externen Verstärkerschaltkreis verbunden. Die Drahtleitungen 44 erstrecken sich ausgehend von einer herkömmlichen gedruckten Leiterplatte 46, auf der zwischen jedem Ende der Mess- und Rückkopplungs-Sekundärwicklungen 30 und 32 und einer der Drahtleitungen 44 ein elektrischer Kontakt hergestellt ist. Der externe Verstärkerschaltkreis 30 kann zusammen mit der Messeinrichtung 11 eingekapselt sein, um die aus dieser herausragenden Drahtleitungen 44 zu eliminieren, ohne dass vom Gegenstand der Erfindung abgewichen wird. Alternativ könnte jedes Ende der Mess- und Rückkopplungswicklungen 30 und 32 sowie eine Erdungsdraht aus der eingekapselten Messeinrichtung 11 her aus verlängert sein, ohne mit einer darin befindlichen gedruckten Leiterplatte verbunden zu sein.
Wie zuvor erläutert, sind das erste und zweite Bein 38 und 40 des Stromsensors der vorliegenden Erfindung geeignet konstruiert, um zu einer herkömmlichen Messgeräteanschlussbuchse zu passen. Die potentiellen Kosteneinsparungen, die durch den Stromsensor der vorliegenden Erfindung ermöglicht werden, der sich verhältnismäßig kostengünstig herstellen lässt und in Millionen von elektronischen Elektrizitätsmessgeräten, z.B. elektronischen Wattstundenmessgeräten, genutzt werden könnte, sind daher erheblich. Darüber hinaus reduziert die Konstruktion des Stromsensors der vorliegenden Erfindung die Gegeninduktivität oder magnetische Kopplung zwischen dem ersten und zweiten Zweig 13 und 15 und der Sekundärwicklungen und erhöht das Verhältnis von Widerstand zu Reaktanz des Stromsensors im Vergleich zu früheren Konstruktionen. Somit spiegelt der Phasenwinkel des Ausgangsstroms I_OUT den Phasenwinkel des Eingangsstroms I_IN genauer wieder.
In den Zeichnungen und in der Beschreibung wurden typische bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbart, und obwohl spezielle Begriffe verwendet werden, sind die Begriffe lediglich in einem generischen und beschreibenden Sinne zu verstehen und dienen nicht einer Beschränkung, wobei der Schutzumfang der Erfindung in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

Vorrichtung zum Messen eines Eingangsstroms, aufweisend: eine erste leitende Einrichtung zum Leiten eines ersten Anteils des Eingangsstroms, wobei die erste leitende Einrichtung erste und zweite Leiter mit ersten bzw. zweiten vorbestimmten Widerstandswerten aufweist; eine zweite leitende Einrichtung zum Leiten eines zweiten Anteils des Eingangsstroms, wobei die zweite leitende Einrichtung dritte und vierte Leiter mit dritten bzw. vierten vorbestimmten Widerstandswerten aufweist; eine Zwischenverbindungseinrichtung zum Leiten von Strom zwischen einem ersten und einem zweiten Ende, wobei sich das erste Ende zwischen dem ersten und zweiten Leiter befindet, und das sich zweite Ende zwischen dem dritten und vierten Leiter der ersten und zweiten leitenden Einrichtungen befindet; und eine magnetisch mit der Zwischenverbindungseinrichtung gekoppelte Messeinrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das mit dem von der Zwischenverbindungseinrichtung geleiteten Strom in einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis in Beziehung steht, dadurch gekennzeichnet dass, die ersten und vierten Leiter vorbestimmte Mengen erster und zweiter Materialien enthalten, wovon jedes Material einen anderen spezifischen Widerstand hat, und wobei die zweiten und dritten Leiter vorbestimmte Mengen des zweiten Materials enthalten, wobei die vorbestimmten Mengen der ersten und zweiten Materialien so gewählt sind, dass ein Verhältnis der ersten und zweiten vorbestimmten Widerstandswerte zu den dritten und vierten vorbestimmten Widerstandswerten und das durch die Strommessvorrichtung erzeugte resultierende Übertragungsverhältnis konstant bleiben, wenn sich die Temperatur der ersten, zweiten, dritten und vierten Leiter verändert.
Strommessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zwischenverbindungseinrichtung ein fünfter Leiter mit einem fünften vorbestimmten Widerstandswert ist, und wobei die Messeinrichtung einen Ringkern mit einer sich dadurch erstreckenden Bohrung enthält.
Strommessvorrichtung nach Anspruch 2, wobei sich der fünfte Leiter durch die Bohrung des Ringkerns hindurch erstreckt.
Strommessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Messeinrichtung eine Einrichtung zum magnetischen Messen einer zeitlichen Veränderungsrate einer magnetomotorischen Kraft enthält, die in den Ringkern durch den von der Zwischenverbindungseinrichtung geleiteten Strom induziert wird.
Strommessvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zum magnetischen Messen der zeitlichen Veränderungsrate einer in den Ringkern induzierten magnetomotorischen Kraft, eine um den Ringkern herum gewickelte und magnetisch damit gekoppelte Sekundärwicklung enthält, um das Ausgangssignal zu erzeugen.
Strommessvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zum magnetischen Messen einer zeitlichen Veränderungsrate einer in den Ringkern induzierten magnetomotorischen Kraft, aufweist: eine um den Ringkern gewickelte und magnetisch damit gekoppelte Mess-Sekundärwicklung; eine Verstärkereinrichtung mit einem mit der Mess-Sekundärwicklung verbundenen Eingang und einem Ausgang; und eine um den Ringkern gewickelte und magnetisch damit gekoppelte und mit einem ersten Ende mit dem Ausgang der Verstärkereinrichtung verbundene Rückkoplungs-Sekundärwicklung.
Strommessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Widerstandswert des ersten Materials sich deutlich weniger mit der Temperatur als der Widerstandstandswert des zweiten Materials verändert.
Strommessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste Leiter eine Aussparung enthält, wodurch sich der Widerstandwert des ersten Leiters abhängig von der Abmessung der Aussparung verändert.