Einrichtung zum Messen von elektrischem Strom. Spannung und Temperatur an einem aus starrem Material bestehenden elektrischen Leiter
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Spannungs- und Strommessungen in Niederspannungsschaltanlagen werden überwie¬ gend mit induktiven Wandlern oder Halssensoren realisiert, um eine notwendige galva¬ nische Trennung zwischen der Mess- und Auswertestelle zu gewährleisetn. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, eine solche galvanische Trennung mittels Opto¬ kopplern vorzunehmen, die die von Messelementen erzeugten Signale zu einer Verar¬ beitungseinheit weiter leiten.
Zur Strommessung oder Spannungsmessung können auch Widerstandselemente verwendet werden, die allerdings wegen der hohen Verlustleitung in Widerstands¬ element und fehlender galvanischer Trennung kaum eingesetzt werden.
In einer Niederspannungsschaltanlage verlaufen zur Stromzufuhr Sammelschienen horizontal, wobei den Sammelschienen senkrecht bzw. vertikal verlaufende Verteiler¬ schienen zugeordnet sind. Die einzelnen Steuer-, Schalt- und Regelgeräte befinden sich in Einschüben, wobei an den Einschüben Kontaktelemente vorgesehen sind, die maulförmig die Verteilschienen umfassen. Im Falle unsachgemäßer Wartung oder aus anderen. Gründen besteht die Gefahr, dass an diesen Kontaktstellen bedingt durch ho¬ he Stromdichten schon kleine Abweichungen in den Kontaktkräften zu einem hohen Temperaturanstieg führen. Die Folgen können Kabelbrände und die Zerstörung der An¬ lage sein. Aufgrund des hohen messtechnischen Aufwandes wird die Temperatur von
derartigen Sammelschienenkontakten in Niederspannungsschaltanlagen nicht serien¬ mäßig überwacht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, mit der auf einfache Weise sowohl der elektrische Strom, die Spannung und die Temperatur der Kontaktstücke ge¬ messen werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß also ist der Leiter aus zwei Leiterabschnitten gebildet, zwischen de¬ nen ein elektrisches Widerstandselement aus einem Material mit gegenüber dem Ma¬ terial des Leiters höheren Widerstand vorgesehen ist, wobei im Bereich des Wider¬ standselementes eine Abflachung mit einer Vertiefung angeordnet ist, über die brücken¬ artig eine Messschaltanordnung gelegt ist, durch die ein Teil des den Leiter durchfließenden Stromes fließt, und dass die Messanordnung nahe einem Verbindungskontaktstück angeordnet ist, mit dem der Leiter mit einem weiteren Leiter in elektrisch leitende Verbindung bringbar ist, so dass die an der Kontaktstelle entstehende Wärme gemessen wird.
Aus dem Automobilbereich, im Batteriemanagement 12V/24V, ist zur Strommessung der ASIC IHM-A-1500 der Firma Isabellenhütte entwickelt worden, der sich durch hohe Empfindlichkeit auszeichnet.
Dieser Schaltkreis kann verwendet werden zur Strom-, Spannungs- und Temperatur¬ messung in dem Leiterabschnitt, der mit dem oben genannten Mauskontaktstück unmit¬ telbar in Verbindung steht oder dieses trägt, so dass dort entstehende Wärme direkt von dem Schaltkreis gemessen werden kann.
Als Leiter kann entweder ein Flachbandleiter verwendet werden, der zwei Abschnitte aufweist, zwischen denen sich das elektrische Widerstandselement befindet; es besteht natürlich auch die Möglichkeit, einen Runddrahtleiter zu verwenden, der mit einer Ab¬ flachung versehen ist, in deren Bereich sich die Vertiefung und damit auch das Wider¬ standselement befinden.
Der Strom fließt dabei über das Widerstandselement und parallel dazu über den Mess¬ schaltkreis.
Dabei kann das Widerstandselement aus Manganin hergestellt sein, welches gegen¬ über Kupfer einen um 20-fach erhöhten Widerstand aufweist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sol¬ len die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigen
Fig. 1 eine perspektivisch Ansicht auf ein Leiterstück
Fig. 2 das Leiterteilstück gemäß Fig. 1 , fertig mit Messeinrichtung montiert, in
Seitenansicht,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines abgewinkelten Kontaktstücke und
Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zur Messeinrichtung.
Die Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Leiter 10, an dessen einem Ende ein Crimp-Anschluss für einen Anschlussleiter aufweist, der mittels einer Schraubver¬ bindung 12 mit dem Leiter 10 verbunden ist. Der Leiter 10 ist zusammengesetzt aus einem ersten Leiterteilstück 13, an dem der Crimp-Anschluss 11 befestigt ist, sowie ein¬ em zweiten Leiterabschnitt 14, an dem ein Kontaktstück 15 mit zwei Kontaktzungen 16 und 17 mittels einer Nietverbindung 18 angeschlossen ist. Dieses Kontaktstück 15 ge¬ langt mit einem senkrecht verlaufenden Leiter 19 in Verbindung, indem der Leiter 10 mit dem Kontaktstück 15 über den senkrecht verlaufenden Flachbandleiter 19 geschoben wird, so dass sich der Flachbandleiter 19 in dem Zwischenraum 20 zwischen den Zun-
gen 16 und 17 befindet. Die Einschieberichtung ist durch den Pfeil P dargestellt. Ledig¬ lich zur Ergänzung sei ausgeführt, dass an den freien Enden der Kontaktzungen 16 und 17 nach innen weisende Vorsprünge 16a und 17a vorgesehen sind, deren Abstand von¬ einander etwas kleiner ist als die Dicke des zweiten Leiters 19. Zur Erhöhung der Kon¬ taktkraft der Kontaktzungen 16 und 17 ist eine Schenkelfeder (siehe Fig. 3) mit Schen¬ keln 21 und 22 vorgesehen, die die Kontaktzungen 16, 17 aufeinander zu drücken.
Zwischen dem ersten Leiterabschnitt 13 und dem zweiten Leiterabschnitt 14 ist ein Wi¬ derstandselement 23 vorgesehen, welches an den Berührungsstellen 24 und 25 mit den beiden Leiterabschnitten 13 und 14 festgelötet ist. Bei der in Fig. 1 dargestellten Aus¬ führung ist die Dicke des Widerstandselementes 23 geringer als die Dicke der Leiter¬ abschnitte 13 und 14, so dass eine Vertiefung 26 gebildet ist. Das Widerstandselement kann beispielsweise aus Manganin bestehen, welches einen Widerstandswert aufweist, der 20 mal höher liegt als der Widerstandswert der beiden Leiterabschnitte 13 und 14, die aus Kupfer hergestellt sind.
Auf der dem Betrachter zugewiesenen Fläche der beiden Leiterabschnitte 13 und 14 ist eine Leiterplatte 27 aufgelötet auf die ein Messschaltkreis 28 fixiert ist; die Leiterplatte 27 zusammen mit dem Messschaltkreis 28 bildet eine Messanordnung zur Messung des Stromes und insbesondere der Temperatur, welche Messanordnung, wie eingangs erwähnt, an sich bekannt ist. Aufgrund der gegenüber der Dicke di der beiden Leiterab¬ schnitte 13 und 14 verringerten Dicke d2 des Widerstandselementes 23 fließt der Strom sowohl über das Widerstandselement als auch über die Messanordnung, wobei dies hier nicht näher dargestellt ist. Die Platine 27 ist auf den Abschnitten 13 und 14 aufgelötet.
Die Messeinrichtung oder Messanordnung, die in ihrer Gesamtheit die Bezugsziffer 29 erhält, befindet sich auf Netzpotential, d.h. auf einem Potential bis 1000 V. Am Ausgang dieser Messanordnung 29 stehen digitale Signale an, die, wie weiter unten erläutert, ü- ber Optokoppler einem Microprozessor zugeführt werden, um hier eine Potentialtren¬ nung zu erzielen.
Es sei nun Bezug genommen auf die Fig. 3.
Dort ist ein Leiter 30 dargestellt, der aus zwei Leiterabschnitten 31 und 32 zusammen¬ gesetzt ist, zwischen denen sich in der gleichen Weise wie bei der Ausführung gemäß Fig. 1 ein Widerstandselement befindet, welches dem Widerstandselement 23 gleicht. Ebenso ist zwischen diesen beiden Leiterabschnitten 31 und 32 eine Vertiefung vor¬ gesehen, auf der eine Leiterplatte 33 aufgelötet ist, in gleicher Weise wie auf den Ab¬ schnitten 13 und 14. Auf der Leiterplatte selbst befinden sich zwei Schaltkreise 34 und 35, von denen der Schaltkreis 34 dem Schaltkreis 28 entspricht.
In der Fig. 2 ist dargestellt, dass auf der der Leiterplatte 27 entgegengesetzt liegenden Seite der Abschnitte 13 und 14 das Kontaktstück 15 befestigt ist. In gleicher weise ist an dem Leiterabschnitt 31 auf der der Platine 33 entgegengesetzten Seite ein Kontakt¬ stück 36 festgenietet, welches nicht flach eben wie das Kontaktstück 15 ist, sondern Z- förmig gebogen. Der eine Schenkel 37 befindet sich an dem Leiterabschnitt 31 und der andere, parallel dazu verlaufende Schenkel 38 trägt Kontaktzinken 39 und 40, die mit¬ tels einer Kontaktdruckfeder 51 miteinander verbunden sind, die als U-förmige Kontakt¬ druckfeder ausgebildet ist, wobei eine erste U-Form 42 und eine parallel dazu verlauf¬ ende U-Form 43 vorgesehen sind, die mittels Verbindungselementen 44 und 45 mitein¬ ander verbunden sind, wobei die beiden U-Formen 42 und 43 über das Kontaktstück gesteckt werden, wobei die Federkraft der Schenkelpaare 42, 43 aufeinander zu über die Verbindungsabschnitte 44, 45 auf die Kontaktzungen 39 und 40 aufgebracht wird. Auch eine solche Kontaktanordnung ist an sich bekannt.
Die Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einer der Anzahl der Phasen entsprech¬ enden Anzahl von Leiterplatten 50, 51 und 52, auf denen jeweils ein den Schaltkreisen 28 und 34 entsprechender Asic-Schaltkreis 53, 54 und 55 aufgebracht sind, die mit ei¬ nem ersten Microprozessor 56, 57 und 58 verbunden sind, in denen die Signale der Schaltkreis 53 bis 55 in einem ersten Schritt verarbeitet werden. Die Ausgangssignale der Microprozessoren 56, 57 und 58 werden über Optokoppler 59, 60, 61 einem Micro¬ prozessor 62 zugeführt, in der die Signale der Microprozessoren 56 bis 58 weiter verar¬ beitet werden.
Am Ausgang des Microprozessors 62 schließen Steuereinrichtungen 63 für eine Schalt¬ gerätesteuerung sowie für eine Anzeigeeinrichtung 64 an. Die Stromversorgung erfolgt über eine Zuführungsleitung 65, der eine Leitung 66 für eine Steuerspannung zugeführt
wird, die über drei isolierte Stromversorgungseinrichtungen 67, 68 und 69 die Energie¬ versorgung sicherstellen und steuern.
Die Fig. 1 zeigt ein Leiterteilstück 10, das an seinem einen Ende eine Crimp- Aufnahme 11 für einen Anschlussleiter aufweist. Dieser Crimp-Anschluss 11 schließt an einem ersten Leiterteilstück 12 an. An diesem Leiterteilstück 12, an dessen dem Crimpansatz 11 entgegengesetzten Stirnkante 13 ist ein resistives Widerstandselement 14 ange¬ schlossen, beispielsweise angeschweißt oder angelötet, an dessen freier Stirnkante 15 sich ein Kontaktstück 16 anschließt, das in einer Gabelform 17 mit zwei Gabelzinken 18 und 19 endet. Nicht dargestellt sind Federelemente, die die beiden Gabelzinken 18 und 19 gegeneinander drücken. Die Öffnung 20 zwischen den beiden Gabelzinken 19 und 18 wird über eine vertikal verlaufende Verteilerschiene 21 gesteckt. Die gesamte Leiteranordnung 10 dient dazu, im Inneren einer Schaltanlage befindliche Schalt-, Steu¬ er- und Regelgeräte mit Strom zu versorgen. Die Verteilschienen 21 , die vertikal in der Schaltanlage verlaufen, sind mit horizontal verlaufenden Sammelschienen verbunden, die hier nicht näher dargestellt sind.
Die Dicke Di des Abschnittes 12 bzw. 16 ist größer als die Dicke D2 des Widerstands¬ elementes, so dass sich in dem Bereich des Widerstandselementes eine Vertiefung 22 bildet. Diese Vertiefung 22 ist von einem elektrischen Schaltkreis 23 überdeckt, wobei der Schaltkreis 23 eine Leiterplatte 24 umfasst, auf der Messelemente 25 für elektri¬ schen Strom, Spannung und Temperatur aufgebracht sind.
Wenn nun Strom durch die Anordnung 10 hindurchfließt, dann wird ein Teil des Strom¬ es über das Widerstandselement 14 und ein weiterer Teil über die Messeinrichtung 23 fließen, wobei der dort fließende Strom gemessen werden kann. Darüber hinaus kann auch die Spannung gemessen werden und die Temperatur, die insbesondere durch . schlechte Kontaktübergänge und damit hohe Kontaktwiderstände zwischen den Kon¬ taktgabeln 18, 19 und der Verteilschiene 21 entstehen können.
Am Messelement 23 sind Anschlussleiter vorgesehen, die mit einem Mikroprozessor verbunden sind, in dem die von der Messeinrichtung 23 herkommenden Signale weiter verarbeitet werden können. Wesentlich für die Verwendung der Messeinrichtung 23, die
an sich bekannt ist, im Niederspannungsbereich bis 100OV ist die Verteilung des durch das Widerstandselement 14 und die Messeinrichtung 23 durchfließenden Stromes.
Nachzutragen ist, dass die Platine auf den Abschnitten 12 und 16 aufgelötet ist.
Die Messeinrichtung befindet sich auf Netzpotential, d. h. auf einem Potential bis 1000V. Am Ausgang der Messeinrichtung 23 stehen digitale Signale an, über Po¬ tentialtrennung z.B. Optokoppler dem Mikroprozessor zugeführt werden.