DE69630985T2 - Stromfühler mit Magnetfelddetektor - Google Patents

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G01R15/202Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices using Hall-effect devices

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strommessfühler zur Messung des in einem Leiter fliessenden elektrischen Stromes, wobei diese Vorrichtung einen magnetischen Kreis mit Luftspalt umfasst, der so eingerichtet ist, dass er mit diesem Leiter für den zu messenden Strom gekoppelt werden kann, ferner einen Magnetfelddetektor, der im Luftspalt dieses Kreises angeordnet ist, eine auf diesen magnetischen Kreis gewickelte Spule, einen ersten elektrischen Strommesskreis, der diese Spule enthält, Mittel, um gesteuert vom Magnetfelddetektor einen Kompensationsstrom durch diese Spule zu schicken, der das im Luftspalt durch den zu messenden Strom erzeugte Feld aufzuheben sucht, sowie Mittel, um ein erstes Messsignal zu liefern, das eine Funktion dieses Kompensationsstromes ist.
  • Vorrichtungen dieses Typs werden in zahlreichen industriellen Anwendungen eingesetzt und werden zum Beispiel in der schweizer Patentschrift Nr. 677 034 oder in der europäischen Patentanmeldung EP 0 392 439 A beschrieben. Sie weisen insbesondere eine hohe Messgenauigkeit auf. Für die Messung hoher Ströme verlangen aber die für die Kompensation zur Verfügung zu stellenden Amperewindungen eine entsprechende Spule und einen entsprechenden Stromversorgungskreis, was insbesondere ein verhältnismässig grosses Volumen und einen verhältnismässig grossen Gestehungspreis für den Messfühler und die zugehörigen Schaltungen mit sich bringt. Nun ist es aber bei bestimmten Anwendungen nicht erforderlich, eine gleichbleibende Genauigkeit über den gesamten Strommessbereich hinweg zur Verfügung zu stellen. Man kann sich insbesondere mit einer hohen Genauigkeit bei der Messung von verhältnismässig niedrigen Strömen, aber mit einer geringeren Genauigkeit bei der Messung höherer Ströme begnügen.
  • Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen Strommessfühler zur Verfügung zu stellen, bei dem das Volumen und der Preis des Messfühlers und seines Stromversorgungskreises verringert werden können, aber der dabei doch eine hohe Genauigkeit für die Ströme im unteren Teil des Strommessbereichs bietet.
  • Deshalb ist die erfindungsgemässe Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zweiten elektrischen Messkreis enthält, der so eingerichtet ist, dass er ein zweites Messsignal liefert, das eine Funktion des im Luftspalt nachgewiesenen Magnetfeldes ist, wobei der erste Messkreis so bemessen ist, dass er bei einem Wert des Kompensationsstromes elektrisch gesättigt ist, der einem zu messenden Strom entspricht, der spürbar kleiner als der grösste zu messende Strom ist.
  • Die erfindungsgemässe Vorrichtung umfasst bevorzugt Mittel, um das erste und zweite Messsignal so zu addieren, dass ein resultierendes Messsignal erzeugt wird, dessen Veränderung mit dem zu messenden Strom über den ganzen Messbereich stetig ist.
  • Einer besonderen Ausführungsform zufolge wird der erste Messkreis durch einen ersten Magnetfelddetektor gesteuert, der einen verhältnismässig geringen Offsetfehler aufweist, während der zweite Messkreis einen zweiten Magnetfelddetektor enthält, der eine verhältnismässig geringe Veränderung der Verstärkung aufweist, und die Vorrichtung enthält Mittel, um das Ausgangssignal des zweiten Messkreises zu unterdrücken, solange der erste Messkreis nicht gesättigt ist, so dass der Offsetfehler des zweiten Messkreises kompensiert wird, sowie Mittel, um diese Kompensation im zweiten Messkreis in der Zeit aufrechtzuerhalten, während der der erste Messkreis elektrisch gesättigt ist.
  • Die Magnetfelddetektoren sind bevorzugt Hallsonden.
  • Die Erfindung wird durch die Beschreibung besonderer Ausführungsformen besser zu verstehen sein, die hiernach beispielhaft dargelegt und mit der beigefügten Zeichnung veranschaulicht werden, in der
  • 1 das elektrische Schaltschema einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemässen Messfühlers ist;
  • 2 ist eine schematische Ansicht des magnetischen Kreises eines Messfühlers nach 1;
  • 3 ist eine graphische Darstellung, die die Veränderungen in der Genauigkeit des vorliegenden Messfühlers in Abhängigkeit von der Stromstärke zeigt;
  • 4 ist eine graphische Darstellung, die die Veränderungen der Spannung an verschiedenen Punkten des Schaltschemas der 1 zeigt; und
  • 5 ist das elektrische Schaltschema einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemässen Messfühlers.
  • Das Schema der 1 zeigt eine Hallsonde 1, die über einen ersten Stromanschluss 11 mit einer Stromquelle 2 und über ihren zweiten Stromanschluss 12 mit dem Ausgang eines Verstärkers 3 verbunden ist, dessen Eingänge + und – mit einem Bezugspotential, im vorliegenden Falle Masse, sowie mit einer ersten Ausgangsklemme 13 der Sonde 1 verbunden sind. So wird dieser Anschluss 13 auf dem Massepotential gehalten, während an der zweiten Ausgangsklemme 14 der Sonde 1 das von der Sonde gelieferte Signal als Spannung gegen Masse erscheint.
  • Die Sonde 1 wird in den Luftspalt eines magnetischen Kreises 4 eingebracht, der in 2 schematisch dargestellt ist. Dieser Kreis ist so aufgebaut, dass er an einen Leiter 5 angekoppelt werden kann, in dem der zu messende Strom fliesst, und trägt eine Spule 6, die in bekannter Weise dazu dient, die Amperewindungen zur Verfügung zu stellen, die notwendig sind, um das durch den zu messenden Strom erzeugte Magnetfeld zu kompensieren. Dazu ist, wie in 1 gezeigt, die Spule 6 mit dem Ausgang eines Verstärkers 7 verbunden, der durch das Ausgangssignal der Hallsonde 1 gesteuert wird und der Spule 6 den Strom liefert, der erforderlich ist, damit das von der Hallsonde gemessene Magnetfeld null wird.
  • Die an einer Klemme 8 eines zwischen die Spule 6 und Masse geschalteten Widerstandes 9 erscheinende Spannung stellt ein erstes Messsignal U1 dar, das gemäss der graphischen Darstellung der 4 eine Funktion des zu messenden Stromes I ist. Die Genauigkeit dieser Messung ist hoch, zum Beispiel beträgt der Fehler E höchstens 0,5%, wie in der graphischen Darstellung der 3 gezeigt. Dieser erste Messkreis, der den Verstärker 7 enthält, ist so bemessen, dass er bei einem Wert IS des zu messenden Stromes seine elektrische Sättigung erreicht, wobei dieser Wert spürbar kleiner als der Höchstwert Imax dieses Stromes ist. Sobald die Sättigung erreicht ist, erscheint am Anschluss 14 ein von null verschiedenes Ausgangssignal und erzeugt am Ausgang 15 eines Regelverstärkers 10, an dessen Eingang dieses Signal angelegt wird, eine Messspannung U2, die dem Wert I des Stromes proportional ist.
  • Die beiden Messsignale U1 und U2 werden an der Klemme 16 addiert, und zwar über Widerstände 17, 18, die so gewählt sind, dass das resultierende Gesamtmesssignal U3, das am Ausgang eines Verstärkers 19 erscheint, über den gesamten Messbereich hinweg stetig ist, wie es die graphische Darstellung der 4 zeigt. Wenn die Genauigkeit der Messung, die das Signal U2 liefert, zum Beispiel nur 4% beträgt, während die Genauigkeit des Messsignals U1 0,5% beträgt, dann beträgt die Genauigkeit des resultierenden Signals U3 für Ströme, die kleiner als IS sind, 0,5% und verringert sich mit zunehmender Stromstärke, wobei der maximale Fehler etwa 3% erreicht, wie es 3 zeigt.
  • In zahlreichen Anwendungen, in denen eine hohe Genauigkeit nur für Ströme verlangt wird, die im Vergleich zum höchsten Strom des Messbereichs verhältnismässig gering sind, erlaubt es die vorliegende Vorrichtung, durch die Begrenzung der für die Messung durch Kompensation zu liefernden Amperewindungen grosse Einsparungen zu erzielen.
  • Die Gesamtgenauigkeit einer solchen Vorrichtung mit zwei Messkreisen lasst sich ausserdem durch eine Anordnung, wie sie in 5 gezeigt wird, noch spürbar verbessern.
  • In der Ausführungsform gemäss 5 werden zwei Hallsonden 21 und 22 in den magnetischen Kreis eingebracht, und zwar entweder in einen konstanten Luftspalt oder zum Beispiel in einen Luftspalt mit einer der Dicke jeder der eingesetzten Sonden angepassten Höhe. So wird im ersten Messkreis der Vorrichtung gemäss 5 eine Sonde 21 eines Typs eingesetzt, zum Beispiel eine Sonde vom InSb-Typ, die einen geringen Offsetfehler, aber grosse, wenn auch nicht störende Veränderungen in der Verstärkung aufweist, während für den zweiten Messkreis eine Hallsonde 22 eines Typs mit geringen Veränderungen der Verstärkung mit der Temperatur gewählt wird, zum Beispiel eine GaAs-Sonde, wobei ein grösserer Offsetfehler akzeptiert wird.
  • Der Zweck der Vorrichtung der 5 besteht darin, während der Messperioden, während derer der erste Messkreis nicht gesättigt ist, eine Kompensation des Offsetfehlers im zweiten Messkreis zu realisieren und diesen Kompensationszustand während der Periode aufrechtzuerhalten, während der dieser zweite Kreis im Einsatz ist, d. h. während der der erste Kreis gesättigt ist.
  • Die Funktion des ersten und zweiten Messkreises mit Addition der Signale U1 und U2 zum resultierenden Messsignal U3 ist der unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen ähnlich. Auch werden die Elemente der 1, die sich im Schema der 5 wiederfinden, durch die gleichen Bezugszahlen bezeichnet, nur mit einem Strich (') markiert.
  • Die Vorrichtung der 5 enthält im zweiten Messkreis einen Kreis für eine Abwandlung des Bezugspotentials im Punkt 20', der so wirkt, dass die am Ausgang 15' erscheinende Spannung während der Perioden auf null reduziert wird, während derer der erste Messkreis nicht gesättigt ist. Diese Perioden werden in der weiter unten beschriebenen Art und Weise durch Schliessen eines Schalters 23 umgesetzt.
  • Solange der erste Messkreis 21, 7', 6', 9' nicht gesättigt ist, muss das Signal U2 null sein, da das Magnetfeld im Luftspalt (in dem sich die Hallsonde 22 befindet) durch eine Kompensation der Amperewindungen, die durch den zu messenden Strom bzw. durch die Spule 6' erzeugt werden, auf null reduziert wird.
  • Wenn während dieser Zeit eine Spannung gegen Masse am Punkt 15' erscheint, ist sie demnach auf eine Verschiebung im zweiten Messkreis zurückzuführen. Eine solche Offsetspannung wird über einen Widerstand 24 an einen Eingang eines Verstärkers 25 angelegt, von dem ein zweiter Eingang an Masse liegt, und bewirkt bei geschlossenem Schalter 23 über Widerstände 26 und 27 das Laden eines Kondensators 28. Die Spannung über die Baugruppe 27, 28 wird an die Eingangsklemme eines Verstärkers 30 mit sehr hoher Eingangsimpedanz gelegt, dessen Ausgang einen mit Masse verbundenen Span nungsteiler versorgt, dessen intermediärer Punkt 20' ein variabler Bezugspunkt für den +-Eingang des Verstärkers 3' wird. Der so zwischen den Klemmen 15' und 20' gebildete Korrekturkreis und der Widerstand 31 sind so bemessen, dass die Spannung an der Klemme 15' auf null gebracht wird. Somit werden während der Perioden, während derer das auf die Sonde 22 wirkende Magnetfeld null ist, die in der Sonde 22 und den Verstärkern 10', 30 und 3' erzeugten Offsetspannungen kompensiert.
  • Wenn der erste Messkreis Sättigung erreicht, öffnet sich der Schalter 23, damit der Kondensator 28 das Potential behalten kann, das an seinen Klemmen vorliegt, und somit gewährleistet wird, dass die Kompensation der Offsetspannungen im zweiten Messkreis aufrechterhalten wird. Die Zeitkonstante des Entladestromkreises des Kondensators 28 ist so gewählt, dass die Kompensation während der ganzen Zeit gewährleistet wird, während der der zweite Messkreis funktioniert.
  • 5 zeigt ferner einen Schaltkreis für die Betätigung des Schalters 23 auf der Basis der Ausgangsspannung des Verstärkers 7'. Diese Spannung wird an zwei Komparatoren 32, 33 angelegt, die sie mit einer positiven und einer negativen Bezugsspannung vergleichen, die der positiven und negativen Sättigungsspannung des Verstärkers 7' nahe sind. Wenn die Ausgangsspannung von 7' eine dieser Bezugsspannungen übersteigt, betätigt der entsprechende Komparator den Schalter 23, der zum Beispiel vom Typ eines Analogschalters ist. Die Hallsonde 21, die vom InSb-Typ sein kann, hat während ihres Betriebes einen verhältnismässig geringen Offsetfehler, wobei die Verschiebung des entsprechenden Messkreises von vornherein durch die Wahl eines Kompensationswiderstandes 34 oder 35 unterdrückt wird, der in 5 zu sehen ist.

Claims (4)

  1. Strommessfühler zur Messung des in einem Leiter (5) fliessenden elektrischen Stromes, wobei diese Vorrichtung einen magnetischen Kreis (4) mit Luftspalt, der so eingerichtet ist, dass er mit diesem Leiter für den zu messenden Strom (I) gekoppelt werden kann, einen Magnetfelddetektor (1), der im Luftspalt dieses Kreises angeordnet ist, eine auf diesen magnetischen Kreis gewickelte Spule (6), einen ersten elektrischen Messkreis (1, 7, 6, 9), der diese Spule (6) enthält, Mittel (7), um gesteuert vom Magnetfelddetektor einen Kompensationsstrom durch diese Spule zu schicken, der das im Luftspalt durch den zu messenden Strom erzeugte Feld aufzuheben sucht, Mittel (9), um ein erstes Messsignal (U1) zu liefern, das eine Funktion dieses Kompensationsstromes ist, und einen zweiten elektrischen Messkreis (1, 10) umfasst, der so eingerichtet ist, dass er ein zweites Messsignal (U2) liefert, das eine Funktion des im Luftspalt nachgewiesenen Magnetfeldes ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Messkreis so bemessen ist, dass er bei einem Wert des Kompensationsstromes elektrisch gesättigt ist, der einem zu messenden Strom (IS) entspricht, der spürbar kleiner als der grösste zu messende Strom (Imax) ist.
  2. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel enthält, um das erste und zweite Messsignal so zu addieren, dass ein resultierendes Messsignal (U3) erzeugt wird, dessen Veränderung mit dem zu messenden Strom über den ganzen Messbereich stetig ist.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Messkreis durch einen ersten Magnetfelddetektor (21) gesteuert wird, der einen verhältnismässig geringen Offsetfehler aufweist, dadurch, dass der zweite Messkreis einen zweiten Magnetfelddetektor (22) enthält, der eine verhältnismässig geringe Veränderung der Verstärkung aufweist, und dadurch, dass die Vorrichtung Mittel (24 bis 31) enthält, um das Ausgangssignal des zweiten Messkreises zu unterdrücken, solange der erste Messkreis nicht gesättigt ist, so dass der Offsetfehler des zweiten Messkreises kompensiert wird, sowie Mittel (23, 28), um diese Kompensation im zweiten Messkreis in der Zeit aufrechtzuerhalten, während der der erste Messkreis elektrisch gesättigt ist.
  4. Vorrichtung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelddetektoren Hallsonden sind.
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