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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Magnetfelddetektoren sind bevorzugt Hallsonden.
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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
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1 das elektrische Schaltschema
einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemässen Messfühlers ist;
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2 ist eine schematische
Ansicht des magnetischen Kreises eines Messfühlers nach 1;
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3 ist eine graphische Darstellung,
die die Veränderungen
in der Genauigkeit des vorliegenden Messfühlers in Abhängigkeit
von der Stromstärke zeigt;
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4 ist eine graphische Darstellung,
die die Veränderungen
der Spannung an verschiedenen Punkten des Schaltschemas der 1 zeigt; und
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5 ist das elektrische Schaltschema
einer weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemässen
Messfühlers.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Gesamtgenauigkeit einer solchen Vorrichtung mit zwei Messkreisen
lasst sich ausserdem durch eine Anordnung, wie sie in 5 gezeigt wird, noch spürbar verbessern.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.