EP4185878A1 - Strommessgerät zur messwerterfassung, stromsensor sowie strommessumformer - Google Patents

Strommessgerät zur messwerterfassung, stromsensor sowie strommessumformer

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Publication number
EP4185878A1
EP4185878A1 EP21748586.1A EP21748586A EP4185878A1 EP 4185878 A1 EP4185878 A1 EP 4185878A1 EP 21748586 A EP21748586 A EP 21748586A EP 4185878 A1 EP4185878 A1 EP 4185878A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
current
memory
interface
current measuring
sensor
Prior art date
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Pending
Application number
EP21748586.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang HÖFT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Phoenix Contact GmbH and Co KG filed Critical Phoenix Contact GmbH and Co KG
Publication of EP4185878A1 publication Critical patent/EP4185878A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations 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
    • G01R15/202—Adaptations 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/08—Circuits for altering the measuring range
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/32—Compensating for temperature change

Definitions

  • the invention relates to an ammeter for measuring measured values.
  • the invention also relates to a current sensor, which can be contained in a current measuring device according to the invention, and a current measuring transducer, which can be part of the current measuring device. This improves the behavior of the current sensor in terms of accuracy and the proportional acquisition of measured values.
  • Such current measuring devices are used in many ways in the field of industrial automation.
  • the acquisition of energy data such as current and voltage is used in automation technology, in process engineering and in general for wear detection of machines and systems, including robots and energy systems.
  • the current measuring devices in wind turbines can be used for monitoring, in particular for monitoring the pitch adjustment of the rotor blades.
  • the analog output signal is not transmitted further, but processed and used directly in the control unit of the wind turbine.
  • Another application example concerns the measurement of the electricity generated by solar modules.
  • Fieldbus systems are used in automation technology, in process engineering and in general for controlling machines and systems, including robots. There they are used to record measured values from sensors and to output switching signals for controlling systems.
  • laboratory measuring devices automatic measuring range switching for voltage measurement or current measurement has been common for some time. The measuring range switchover runs in the background so that the user does not notice anything or only very little.
  • laboratory measuring devices have only one connection point for current or voltage inputs, internal amplifiers switch or amplify the measurement signal accordingly, so that the best range with the smallest possible error is always used.
  • Document DE 10305986 A1 discloses a measuring system for medium or high-voltage systems with optical signal transmission between the sensor head and a central measuring device, in which the measuring range is switched in the sensor head. This is done with a microprocessor that communicates with a differential amplifier in the sensor head.
  • the aim of the invention is for the measuring range to be switched over directly in the current sensor of the current measuring device.
  • current sensors that are equipped with magnetic field sensors, eg Hall sensors.
  • the Hall probes are already equipped with integrated circuits, which expands their area of application. This requires adjustment by programming. But this programming is currently still a process that is carried out once either by the manufacturer or by the user during installation.
  • the one-off determination of the measuring range within the sensor by the manufacturer is typically only optimized for one current measuring range.
  • the end device current measuring device
  • external amplifiers operational amplifiers
  • any signal processing by these external amplifiers means a loss of measurement accuracy.
  • a current of 10A on a power line can correspond to a throughput of e.g. 100mT.
  • An output voltage of 1V is then generated in a current sensor with a Hall element. This is then within the accuracy range specified by the manufacturer in the current sensor data sheet (e.g. 0.2% accuracy).
  • a second measuring channel is set up, in which, for example, a current to be measured up to 1A is to be measured.
  • This signal of 100mV must now be amplified by a factor of 10 by a downstream amplifier. Which means a larger measurement error than in the first case, because the measurement error is amplified accordingly.
  • the transformation ratio is changed from mT to mV within the current sensor, as a result of which this problem can be solved. If the user wants to measure a different current, for example a smaller current, with the measuring device, the current sensor becomes proportionally like this reprogrammed so that a current of 10mT results in an output amplitude of 1V. Even with this transformation ratio, the data specified by the current sensor manufacturer for the measuring accuracy of 0.2%, for example, still applies.
  • switching is implemented during the running time of the measuring system.
  • This switching/reprogramming is supported by a microcontroller in the current meter.
  • the user can request the measuring range switchover via the input interface or the communication interface.
  • the invention relates to a current measuring device for measuring measured values with a current sensor and a current measuring transducer, the measuring range of the current sensor being adjustable.
  • the current sensor is equipped with at least one magnetic field sensor and at least one matching circuit and a memory.
  • a special feature is that the measuring range switchover for the current sensor is based on the adapting circuit accessing at least one new adapting value in the memory by reprogramming the memory, through which a change in the measuring signal of the magnetic field sensor can be set. This reprogramming can then be carried out as often as desired within the specified number of write cycles of the memory. Even dynamic measuring range switching can be implemented with it.
  • the information about the measuring range switchover can be provided via an input interface.
  • the measured values can be output via an output interface.
  • the input interface and/or the output interface can also be designed as a communication interface.
  • the at least one matching circuit corresponds to an amplification circuit whose amplification factor is determined by the at least one new matching value in the memory. This makes it possible to use the full resolution of the A/D converter that records the measurement signal.
  • the at least one adaptation circuit has a compensation circuit whose compensation value is determined by the at least one new adaptation value in the memory.
  • the compensation value can correspond to an offset value by which the offset of the measurement signal due to the occurrence of an interfering DC voltage, e.g. due to component scatter caused by production technology, is compensated.
  • the compensation value corresponds to a correction value for a correction voltage, which compensates for the offset in the measurement signal due to the occurrence of a temperature change. This can be done in addition to compensating for the interfering DC voltage. It is advantageous for this if the current sensor is equipped with a temperature sensor whose signal is output in analog or digital form to the current measuring transducer, which can then carry out the appropriate reprogramming for temperature compensation.
  • the memory should be writable as often as possible. It is advantageous for this if an EEPROM memory or a flash EPROM memory is used as the non-volatile memory. These offer specified write cycle numbers of up to 100,000 write cycles. Besides this could also be a CMOS RAM memory be used for which no limited number of write cycles is specified. The use of other memory modules, eg dynamic RAM memories, would also be possible. But then it would have to be ensured that the memory is constantly supplied with electricity.
  • the interface via which the adjustment values are transmitted to the current sensor can advantageously be designed as a communication interface, in particular an inter-IC bus interface I 2 C.
  • the magnetic field sensor contains at least one Hall element.
  • Such magnetic field sensors can be set particularly well to different measuring ranges via internal amplifiers.
  • ammeter There are many possible uses of the ammeter. An important example is the use of measuring the current generated by one or more solar modules.
  • the invention in another embodiment, relates to a current sensor for a current measuring device.
  • This has a magnetic field sensor with at least one matching circuit.
  • the current sensor also has a memory and an interface via which at least one new adjustment value for switching the measuring range of the magnetic field sensor can be received from a current transducer, and a memory addressing unit via which the at least one received adjustment value can be written to the memory.
  • the memory addressing unit can be in the form of programming logic. It is also advantageous for the current sensor if the interface is designed as a communication interface, in particular an inter-IC bus interface l 2 C.
  • a further embodiment of the invention relates to a current measuring transducer for a current measuring device, with the current measuring transducer having a microcontroller and an output unit via which the measured current values can be output digitally or analogously.
  • the current measuring transducer has an input interface via which the information for switching the measuring range can be entered.
  • the input interface can also include a communication interface via which data relating to the measuring range switchover can be transmitted to the current measuring transducer.
  • the communication interface can be a fieldbus interface or a radio interface.
  • the current measuring transducer has a further interface and means for generating or receiving at least one new adjustment value for switching the measuring range of a current sensor, the microcontroller being designed to process a computer program and the computer program having program steps which, when the program is processed by the Microcontroller cause this to send at least one new adjustment value via the interface to the current sensor.
  • the adjustment value can be sent from a workstation computer to the current measuring transducer.
  • a measurement range specification can be transmitted to the current measuring transducer, and the current measuring transducer uses this to generate the at least one corresponding adjustment value.
  • the further interface is designed as a communication interface, in particular an inter-IC bus interface l 2 C.
  • the invention offers the advantage that the ammeters no longer have this large number of terminal points for the different measuring ranges must have.
  • a possible source of error for the user on the product is eliminated. It cannot happen that the user selects an incorrect terminal point for the current input and the controller determines the load current incorrectly, which can lead to the destruction or overloading of the device to be controlled.
  • Fig. 1 shows a field bus system with the components ammeter
  • Control unit in which the current measuring device detects the load current of an electric motor
  • Fig. 2 is a block diagram of the current meter
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of a current sensor
  • Fig. 6 shows a flowchart for a program with which a
  • Measuring range switching can be performed by reprogramming a non-volatile memory in the current sensor of the current meter.
  • a programmable logic controller (PLC) 30 is connected to a frequency converter 40 which generates the three-phase current for the electric motor 60 to run.
  • the electric motor 60 is a three-phase asynchronous motor.
  • the PLC 30 controls the frequency converter 40 in that it transmits the corresponding control commands to the frequency converter 40 via the field bus 70 .
  • the principle of fieldbus systems is that the measured values are recorded by an input/output unit on site at the various sensors of the machine or system, but the machine or system is controlled in the control unit 30, which is centrally located.
  • the I/O data are transmitted to the control unit 30 via the fieldbus 70 .
  • the various known fieldbus variants can be used as the fieldbus.
  • a hybrid motor starter (not shown) is given as an example, which fulfills functions such as motor starting, reversing function, motor protection and emergency stop.
  • the load current with which the electric motor 60 is driven must be continuously monitored so that the PLC 30 can fulfill its control task.
  • a current measuring device 20 is used for this purpose, which records the load current and makes it available to the PLC 30 .
  • a current transformer 10 is connected upstream of the current measuring device, which converts the high load current in the electric motor 60 of e.g. 200A AC primary current into a secondary current which can be measured more easily, e.g. a secondary current of 1A AC.
  • This 1A current signal is forwarded to the current meter 20 and can measured there with an internally installed current sensor (Hall element with ASIC).
  • the current measuring device 20 is discussed in more detail below.
  • the current measuring device 20 is shown in such a way that it essentially consists of the two components, the current sensor 21 and the current measuring transducer 22, which are connected to one another. However, both components, current sensor 21 and current measuring transducer, are housed in one housing. Typically, the power cable coming from the power converter 10 is fed through an opening in the housing.
  • reference numeral 22 designates the current measuring transducer.
  • the current measuring transducer 22 and the current sensor 21 are accommodated in a single housing. This is shown in FIG.
  • DIP switches 24 are shown, which can also be part of the current measuring transducer 22.
  • the basic configuration of the current measuring transducer 22 can be set with them. This relates, for example, to the configuration of the outputs of the current measuring transducer 22.
  • An output module of the current measuring transducer 22 is designated by the reference number 26. As an example, this can contain analog outputs and digital outputs, which can be selected via the DIP switch 24 .
  • a communication interface 24' is also provided. This can correspond to a fieldbus interface, as explained above. In the example shown in FIG. 1 , the measurement results are output via the communication interface 24 ′ and transmitted to the controller 30 . As described, this is done via the fieldbus 70.
  • FIG. 21 A schematic diagram of such a current sensor 21 is shown in FIG.
  • the measuring principle of such current sensors 21 is based on the physical effect of measuring the magnetic field surrounding the power cable when passing through it current flows. This magnetic field can be detected by one or more Hall elements. This allows the alternating current flowing through the power cable to be measured, because the alternating current generates a variable magnetic field, which generates a voltage in the Hall elements.
  • the Hall elements are also able to detect direct currents.
  • field concentrators 17 can be used in many applications. These are ferromagnetic ring bodies that direct the magnetic field to the Hall elements. As shown in FIG. 3, the Hall elements are arranged with the electronics in an air gap which is provided in the field concentrator 17.
  • the Hall elements are made from thin semiconductor wafers. A voltage is applied to the ends of the semiconductor chip so that a measurement current flows through the semiconductor chip.
  • the semiconductor wafer is mounted in the current sensor 21 in such a way that the magnetic field lines pass through the wafer as perpendicularly as possible. Due to the force acting on the charge carriers, a voltage is generated at the two measuring contacts of the semiconductor wafer, which is recorded and provides information about the current strength.
  • FIG. 4 shows a block diagram of the current sensor 21.
  • Reference number 11 designates a Hall sensor with 4 Hall elements.
  • the Hall probe 11 should be able to measure the current through the power supply line 80 over a wide measuring range.
  • the current sensor 21 is equipped with various matching circuits.
  • Reference numeral 13 denotes an offset adjustment circuit. A DC voltage can thus be impressed on the measurement signal in order to compensate for production-related series scattering of the Hall probes 11 .
  • Reference numeral 14 denotes a gain adjustment circuit. This sets the behavior of the measuring amplifier (not shown separately). For example, the amplification factor can be set using it.
  • reference numeral 15 designates a temperature adjustment circuit.
  • FIG. 4 also shows the connections of the current sensor 21 via which the current sensor 21 is connected to the current measuring transducer 22 .
  • the VDD terminal designates the positive pole of the voltage applied to the Hall probe 11.
  • the ground connection is designated VSS.
  • the analog measurement signal is output via the "Out" output. This corresponds to the adjusted and temperature-compensated measurement signal from Hall probe 11.
  • the "Test” connection is used to write to memory 12.
  • the frequent switching is implemented by reprogramming specific memory locations in the non-volatile memory 12, which the various matching circuits 13, 14, 15 access.
  • the non-volatile memory 12 is implemented as an EEPROM memory, for example. This permanently retains the values that have been programmed once. In addition, the memory cells can be overwritten frequently. Inexpensive EEPROM memories allow about 10,000 write cycles before programming errors can occur. But there are also higher-quality EEPROM memories that even guarantee 100,000 write cycles.
  • the data to be programmed into the selected memory location is supplied via the "Test" input.
  • the address of the memory location that is to be programmed is first supplied via the "Test” input. This is followed by the data word that is to be programmed there.
  • For a communication interface is then provided in the EEPROM memory 12, with the the communication protocol is supported. It is, for example, the well-known l 2 C bus interface.
  • the current sensor 21 can measure a maximum current of up to 100 A.
  • the current sensor 21 is set at the factory for this measuring range.
  • the measuring signal for this measuring range is in the range of 0 ... 1 V.
  • the measuring range from 0 to 10 A is emphasized in FIG. 5 as a further measuring range.
  • the user only wants to use this ammeter 20 for his application up to 10 A, it is disadvantageous to leave the adjustment unchanged. This would mean that the resolution of the analog-to-digital converter in the current measuring transducer 22 is far too low, because it would only convert the range from 0...0.1 V, but the resolution to the range from 0... 1V is set.
  • the user should change the adjustment to amplify the measurement signal so that the measurement range of 0 ... 10 A is mapped to the voltage range of 0 ... 1 V, so that the full resolution of the A/D converter is then available is utilized in the current transducer 22.
  • FIG. 6 now shows the sequence of program 100, with which the adjustment of current sensor 21 can be changed. This is transmitted to the PLC 30. This transmits the desired measuring range 0 .. 10 A to the current measuring transducer 22.
  • the program 100 is processed in the current measuring transducer 22.
  • Reference number 102 designates the start of the program. The user can set the adjustment via the workstation 50. He selects the measuring range 0 ... 10 A for his desired application.
  • processing step 104 what is to be done next is selected.
  • the choices are: performing the normal measurement process, performing a one-time adjustment process, and performing a dynamic adjustment process. It is assumed here that the information was received from the PLC 30 to carry out a one-off adjustment process.
  • step 108 selected, which initiates the comparison with a fixed value.
  • the values to be programmed are taken from a table. The desired measuring range serves as an index for the table. The actual reprogramming takes place in step 112.
  • the selected adjustment values are written into the corresponding storage locations of the EEPROM memory 12 for the adjustment circuits 13, 14, 15.
  • the measurement results are transmitted to the PLC 30 .
  • the third option corresponds to a dynamic adjustment, with which a new adjustment takes place after a certain number of measurements.
  • This dynamic adjustment corresponds to a dynamic measuring range switch, as is also known from digital multimeters. In this case, an evaluation algorithm runs, in which the recorded measured values are analyzed in each case, and if the resulting current values were recorded with too low a resolution, the resolution is increased by reprogramming.
  • the proposed method and associated devices can be implemented in various forms of hardware, software, firmware, special purpose processors or a combination thereof.
  • microcontrollers with integrated RAM memory and integrated I/O interfaces are used.
  • Special purpose processors may include Application Specific Integrated Circuits (ASICs), Reduced Instruction Set Computers (RISC), and/or Field Programmable Gate Arrays (FPGAs).
  • ASICs Application Specific Integrated Circuits
  • RISC Reduced Instruction Set Computers
  • FPGAs Field Programmable Gate Arrays
  • the proposed method and device is implemented as a combination of hardware and software.
  • the software is preferably installed as an application program on a program storage device. Typically, it is a machine based on a A computer platform comprising hardware such as one or more central processing units (CPU), random access memory (RAM), and one or more input/output (I/O) interface(s).
  • An operating system is typically also installed on the computer platform.
  • the various processes and functions described here can be part of the application program or a part that runs
  • Computer program 100 different program steps 102 - 114

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Strommessgerät (20) zur Messwerterfassung, mit einem Stromsensor (21) und einem Strommessumformer (22), wobei der Messbereich des Stromsensors (21) einstellbar ist. Der Stromsensor (21) wird dabei mit wenigstens einem Magnetfeldsensor (11), wenigstens einer Anpassschaltung (13, 14, 15) und einem Speicher (12) und einer Schnittstelle (16) ausgestattet. Dabei ist der Strommessumformer (22) mit einer Eingabeschnittstelle (24) zur Eingabe und/oder einer Kommunikationsschnittstelle (24') zur Übermittlung der Information bzgl. der Messbereichsumschaltung ausgestattet. Eine Besonderheit besteht darin, dass die Messbereichsumschaltung für den Stromsensor (21) darauf beruht, dass die Anpassschaltung (13, 14, 15) durch Umprogrammierung des Speichers (12) auf wenigstens einen neuen Anpasswert in dem Speicher (12) zugreift, durch den eine Veränderung des Messsignals des Magnetfeldsensors (11) einstellbar ist. Diese Umprogrammierung kann dann im Rahmen der spezifizierten Schreibzyklenzahl des Speichers (12) beliebig oft durchgeführt werden. Selbst eine dynamische Messbereichsumschaltung lässt sich damit realisieren. Andere Ausprägungen betreffen einen entsprechend ausgelegten Stromsensor (21) und einen entsprechend ausgelegten Strommessumformer (22).

Description

Strom messgerät zur Messwerterfassung, Stromsensor sowie Strommessumformer
Die Erfindung betrifft ein Strommessgerät zur Messwerterfassung. Die Erfindung betrifft ebenso einen Stromsensor, der in einem erfindungsgemäßen Strommessgerät enthalten sein kann, sowie einen Strommessumformer, der Teil des Strommessgerätes sein kann. Dabei wird das Verhalten des Stromsensors in Bezug auf die Genauigkeit und der proportionalen Messwerterfassung verbessert.
Solche Strommessgeräte werden vielfältig im Bereich der Industrieautomation eingesetzt. Die Erfassung von Energiedaten wie Strom und Spannung wird in der Automatisierungstechnik, in der Prozess- und Verfahrenstechnik, wie auch allgemein zur Verschleißerkennung von Maschinen- und Anlagen, inklusive Robotern und Energieanlagen, eingesetzt.
Zum Beispiel können die Strom messgeräte in Windkraftanlagen zur Überwachung, insbesondere zur Überwachung der Pitch-Verstellung der Rotorflügel, eingesetzt werden. Dort wird das analoge Ausgangssignal nicht weiter übertragen, sondern direkt in der Steuereinheit der Windkraftanlage verarbeitet und genutzt. Ein weiteres Anwendungsbeispiel betrifft die Messung des von Solarmodulen generierten Stroms.
Es ist bei einer anderen Anwendung möglich, die Strommessgeräte an der Peripherie von Feldbussystemen einzusetzen. Feldbussysteme werden in der Automatisierungstechnik, in der Prozess- und Verfahrenstechnik wie auch allgemein zur Steuerung von Maschinen- und Anlagen, inklusive Robotern, eingesetzt. Dort werden sie zur Messwerterfassung von Sensoren eingesetzt wie auch zur Ausgabe von Schaltsignalen zur Steuerung von Anlagen. Bei Labormessgeräten ist eine automatische Messbereichsumschaltung für die Spannungsmessung oder Strommessung seit einiger Zeit üblich. Die Messbereichsumschaltung läuft im Hintergrund, so dass der Benutzer davon nichts oder nur sehr wenig mitbekommt. Als Beispiel gibt es bei Labormessgeräten nur einen Anschlusspunkt für Strom oder Spannungseingänge, interne Verstärker schalten bzw. verstärken das Messsignal entsprechend, so dass immer der beste Bereich mit dem kleinstmöglichen Fehler genutzt wird.
Bei Strommessgeräten für den Industrie- und Anlagenbau-Einsatz sind die bestehenden Lösungen für die automatische Bereichsumschaltung allerdings zu aufwendig und zu teuer.
Bei solchen Industriemessgeräten ist es üblich, verschiedene Strommessbereiche über einzelne Klemmen zu realisieren. Wenn es dann doch mal zur doppelten Nutzung eines Klemmpunktes kommt, dann ist in der Regel ein kompletter zweiter Messzweig mit Umschaltung über z.B. DIP-Schalter nötig. Es gibt aber auch Messgeräte, die eine Art Fenstertechnik anwenden, um einen kleineren Bereich durch Zoomoperation innerhalb eines größeren Messbereiches zu vergrößern. Dadurch kann z.B. ein 10 A Strommessbereich einen 1 A Messbereich abbilden. In diesem Fall geht aber ein großer Teil der Auflösung verloren, die sich durch Erfassung des Signales mit Hilfe eines A/D- Wandlers ergibt. Konkret bedeutet dies einen Verlust der Messgenauigkeit um einen Faktor 10. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch die Verstärkung des Messsignales um den Faktor 10 ein 10-faches mehr an Rauschen im Signal auftritt.
Aus dem Dokument DE 4422867 A1 ist es bekannt, Schaltschwellen eines Hall- Schalters zu programmieren. Dieser Hall-Schalter wird allerdings nicht zur Strommessung verwendet. Aus dem Dokument DE 10305986 A1 ist ein Messsystem für Mittel- oder Hochspannungsanlagen mit optischer Signalübertragung zwischen Sensorkopf und einem zentralen Messgerät bekannt, bei dem eine Messbereichsumschaltung in dem Sensorkopf vorgenommen wird. Dies geschieht mit einem Mikroprozessor, der mit einem Differenzverstärker in dem Sensorkopf kommuniziert.
Die bekannten Lösungen haben allerdings den Nachteil, dass sie entweder zu aufwendig sind für Industriemessgeräte oder eben keinen Stromsensor betreffen.
Es besteht deshalb der Bedarf für verbesserte Strommessgeräte, die diese genannten Nachteile vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch ein Strom messgerät zur Datenerfassung gemäß Anspruch 1 und einen Stromsensor gemäß Anspruch 10 und einen Strommessumformer nach Anspruch 12 gelöst.
Die abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung entsprechend der nachfolgenden Beschreibung dieser Maßnahmen.
Die Erfindung zielt darauf ab, dass die Messbereichsumschaltung direkt im Stromsensor des Strom messgerätes geschieht. Dieses ist bei Stromsensoren, die mit Magnetfeldsensor, z.B. Hall-Sonden, ausgestattet sind, möglich. Die Hall- Sonden werden bereits auch mit integrierten Schaltkreisen ausgestattet, was ihren Einsatzbereich erweitert. Dafür ist eine Anpassung durch Programmierung erforderlich. Aber dieses Programmieren ist zurzeit noch ein Vorgang, der entweder beim Hersteller oder beim Anwender bei Installation einmalig durchgeführt wird. Das einmalige Festlegen des Messbereiches innerhalb des Sensors beim Hersteller ist typischerweise nur auf einen Strommessbereich optimiert. Wenn nun allerdings das Endgerät (Strommessgerät) zwei, drei oder mehr Strommesskanäle aufweisen soll, wird typischerweise mit externen Verstärkern (Operationsverstärker) gearbeitet. Jegliche Signalaufbereitung dieser externen Verstärker bedeutet aber einen Verlust der Messgenauigkeit. Mit der Lösung gemäß der Erfindung ist es möglich, die Datenblattangaben des Sensor- Herstellers (Stromsensor mit Hall-Element) komplett auszunutzen und für jeden möglichen Messbereich den Stromsensor optimal zu nutzen.
Dies wird nun mit zwei Beispielen näher erläutert:
Fall1 :
Eine Stromstärke von 10A auf einer Strom leitung kann einer Durchflutung von z.B. 100mT entsprechen. In einem Stromsensor mit Hall-Element wird daraufhin eine Ausgangsspannung von 1V generiert. Dies liegt dann innerhalb des vom Hersteller angegebenen Genauigkeitsbereich im Datenblatt des Stromsensors (z.B. 0,2% Genauigkeit).
Fall 2:
Nun wird mit dieser Einstellung ein zweiter Messkanal aufgebaut, in dem z.B. ein zu messender Strom bis zu 1A gemessen werden soll. Dies bedeutet eine magnetische Durchflutung von nur noch 10mT und erzeugt am Ausgang eine Spannungsamplitude von 100mV. Dieses Signal von 100mV muss nun von einem nachgeschalteten Verstärker um den Faktor 10 verstärkt werden. Was einen größeren Messfehler als im ersten Fall bedeutet, weil auch der Messfehler entsprechend verstärkt wird.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird innerhalb des Stromsensors das Übersetzungsverhältnis von mT zu mV verändert, wodurch dieses Problem gelöst werden kann. Wenn der Anwender mit dem Messgerät einen anderen z.B. kleineren Strom messen möchte, wird der Stromsensor im Verhältnis so umprogrammiert, dass nun eine Durchflutung von 10mT eine Ausgangsamplitude von 1V ergibt. Auch mit diesem Übersetzungsverhältnis gelten weiterhin die vom Stromsensorhersteller angegebenen Daten an die Messgenauigkeit von z.B. 0,2%.
Gemäß der Erfindung wird ein Umschalten während der Laufzeit des Messsystems realisiert. Dieses Umschalten/Umprogrammieren wird durch einen Mikrocontroller in dem Strommessgerät unterstützt. Der Anwender kann über die Eingabeschnittstelle oder die Kommunikationsschnittstelle die Messbereichsumschaltung anfordern. Hier ist es möglich, dem Anwender einige vordefinierte Messbereiche anzubieten, oder es wird so realisiert, dass der Anwender beliebige Messbereiche, die vom Stromsensor erfasst werden können, selbst definieren kann. Durch die fortwährende Messbereichsumschaltung im Stromsensor lässt sich ein möglicher Dynamikbereich von z.B. einem Faktor 30 realisieren, ohne einen größeren Messfehler in Kauf nehmen zu müssen oder zusätzliches Rauschen zu generieren.
In einer ersten Ausprägung betrifft die Erfindung ein Strommessgerät zur Messwerterfassung mit einem Stromsensor und einem Strommessumformer, wobei der Messbereich des Stromsensors einstellbar ist. Der Stromsensor wird dabei mit wenigstens einem Magnetfeldsensor und wenigstens einer Anpassschaltung und einem Speicher ausgestattet. Eine Besonderheit besteht darin, dass die Messbereichsumschaltung für den Stromsensor darauf beruht, dass die Anpassschaltung durch Umprogrammierung des Speichers auf wenigstens einen neuen Anpasswert in dem Speicher zugreift, durch den eine Veränderung des Messsignals des Magnetfeldsensors einstellbar ist. Diese Umprogrammierung kann dann im Rahmen der spezifizierten Schreibzyklenzahl des Speichers beliebig oft durchgeführt werden. Selbst eine dynamische Messbereichsumschaltung lässt sich damit realisieren. Die Information über die Messbereichsumschaltung kann über eine Eingabeschnittstelle erfolgen. Die Ausgabe der Messwerte kann über eine Ausgabeschnittstelle erfolgen. Die Eingabeschnittstelle und/oder die Ausgabeschnittstelle kann auch als Kommunikationsschnittstelle ausgebildet sein.
Für das Strommessgerät ist es vorteilhaft, wenn die wenigstens eine Anpassschaltung einer Verstärkungsschaltung entspricht, deren Verstärkungsfaktor durch den wenigstens einen neuen Anpasswert in dem Speicher bestimmt wird. Damit ist es möglich, die volle Auflösung des A/D- Wandlers auszunutzen, der das Messsignal erfasst.
Zur weiteren Verbesserung der Anpassung ist es vorteilhaft, wenn die wenigstens eine Anpassschaltung eine Kompensationsschaltung aufweist, deren Kompensationswert durch den wenigstens einen neuen Anpasswert in dem Speicher bestimmt wird.
Dabei kann der Kompensationswert einem Offsetwert entsprechen, durch den der Versatz des Messsignals durch Auftreten einer störenden Gleichspannung, z.B. durch produktionstechnisch bedingte Bauteilstreuungen, kompensiert wird.
In einer anderen Variante ist es zur Verbesserung der Anpassung vorteilhaft, wenn der Kompensationswert einem Korrekturwert für eine Korrekturspannung entspricht, durch die der Versatz des Messsignals durch Auftreten einer Temperaturänderung kompensiert wird. Dies kann zusätzlich zur Kompensation der störenden Gleichspannung erfolgen. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn der Stromsensor mit einem Temperaturfühler ausgestattet ist, dessen Signal analog oder digital zu dem Strommessumformer ausgegeben wird, der dann die entsprechende Umprogrammierung zur Temperaturkompensation durchführen kann.
Der Speicher sollte möglichst oft beschreibbar sein. Hierfür ist es von Vorteil, wenn ein EEPROM-Speicher oder ein Flash-EPROM-Speicher als nichtflüchtiger Speicher eingesetzt wird. Diese bieten spezifizierte Schreibzyklenzahlen von bis zu 100.000 Schreibzyklen. Daneben könnte auch ein CMOS-RAM-Speicher eingesetzt werden, für den keine limitierte Schreibzyklenzahl spezifiziert wird. Auch der Einsatz von anderen Speicherbausteinen, z.B. dynamischen RAM- Speichern wäre möglich. Dann müsste aber gesichert sein, dass der Speicher ständig mit Strom versorgt wird.
Die Schnittstelle, über die die Anpasswerte zum Stromsensor übertragen werden, kann vorteilhaft als Kommunikationsschnittstelle, insbesondere Inter-IC- Busschnittstelle l2C, ausgelegt werden.
Besonders vorteilhaft ist, wenn der Magnetfeldsensor wenigstens ein Hall- Element beinhaltet. Solche Magnetfeldsensoren lassen sich über interne Verstärker besonders gut auf verschiedene Messbereiche einstellen.
Es gibt vielfältige Einsatzmöglichkeiten des Strommessgerätes. Als ein wichtiges Beispiel wird der Einsatz zur Messung des von einem oder mehreren Solarmodulen erzeugten Stroms genannt.
In einer anderen Ausprägung betrifft die Erfindung einen Stromsensor für ein Strommessgerät. Dieser weist einen Magnetfeldsensor mit wenigstens einer Anpassschaltung auf. Weiterhin weist der Stromsensor einen Speicher auf und eine Schnittstelle, über die wenigstens ein neuer Anpasswert zur Messbereichsumschaltung des Magnetfeldsensors von einem Strommessumformer empfangbar ist, und eine Speicheradressierungseinheit, über die der wenigstens eine empfangene Anpasswert in den Speicher schreibbar ist. Damit kann die Messbereichsumschaltung vom Anwender durchgeführt werden, indem er dem Strommessumformer die Anpasswerte überträgt, der sie wiederum an den Stromsensor weiterleitet. Für nichtflüchtige Speicher vom Typ EPROM kann die Speicheradressierungseinheit als Programmierlogik ausgebildet werden. Für den Stromsensor ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn die Schnittstelle als Kommunikationsschnittstelle, insbesondere Inter-IC-Busschnittstelle l2C, ausgelegt ist.
Eine weitere Ausprägung der Erfindung betrifft einen Strommessumformer für ein Strommessgerät, wobei der Strommessumformer einen Mikrocontroller aufweist und eine Ausgabeeinheit, über die erfasste Strom m esswerte digital oder analog ausgebbar sind. Der Strommessumformer weist eine Eingabeschnittstelle auf, über die die Information zur Messbereichsumschaltung eingebbar ist. Die Eingabeschnittstelle kann auch eine Kommunikationsschnittstelle umfassen, über die Daten bzgl. der Messbereichsumschaltung zu dem Strommessumformer übertragbar sind. Die Kommunikationsschnittstelle kann eine Feldbusschnittstelle oder eine Funkschnittstelle sein. Dabei weist der Strommessumformer eine weitere Schnittstelle auf und Mittel zur Generierung oder zum Empfang von wenigstens einem neuen Anpasswert zur Messbereichsumschaltung eines Stromsensors, wobei der Mikrocontroller ausgelegt ist, ein Computerprogramm abzuarbeiten, und das Computerprogramm Programm sch ritte aufweist, die bei Abarbeitung des Programms durch den Mikrocontroller diesen veranlassen, den wenigstens einen neuen Anpasswert über die Schnittstelle an den Stromsensor zu senden. Der Anpasswert kann in einer Variante von einem Arbeitsplatzrechner zu dem Strommessumformer gesendet werden. In einer anderen Variante kann eine Messbereichsvorgabe zum Strommessumformer übertragen werden und der Strommessumformer generiert daraus den wenigstens einen entsprechenden Anpasswert.
Auch für den Strommessumformer ist es vorteilhaft, wenn die weitere Schnittstelle als Kommunikationsschnittstelle, insbesondere Inter-IC- Busschnittstelle l2C, ausgelegt ist.
Wie beschrieben bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Strommessgeräte nicht mehr diese Vielzahl von Klemmstellen für die verschiedenen Messbereiche aufweisen müssen. Andererseits wird es möglich, die so freiwerdenden Klemmstellen für erweiterte Funktionen (Schnittstellen für Industrie 4.0) zur Verfügung zu stellen. Des Weiteren fällt eine mögliche Fehlerquelle für den Anwender am Produkt weg. Es kann nicht passieren, dass der Anwender einen falschen Klemmpunkt für den Stromeingang wählen kann und die Steuerung den Laststrom falsch bestimmt, was zur Zerstörung oder zur Überlastung des zu steuernden Gerätes führen kann. Zusätzlich ergeben sich neue Möglichkeiten, die Genauigkeit der Steuerung zu verbessern, denn der Messbereich kann häufiger eingestellt werden.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Feldbussystem mit den Komponenten Strommessgerät und
Steuerungseinheit, bei dem das Strommessgerät den Laststrom eines Elektromotors erfasst;
Fig. 2 ein Blockschaltbild des Strom messgerätes;
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung eines Stromsensors;
Fig. 4 ein detaillierteres Blockschaltbild des Stromsensors des Strommessgerätes;
Fig. 5 eine Grafik zur Veranschaulichung verschiedener Messbereiche des Strommessgerätes; und
Fig. 6 einen Ablaufplan für ein Programm, mit dem eine
Messbereichsumschaltung durch Umprogrammieren eines nichtflüchtigen Speichers im Stromsensor des Strommessgerätes durchgeführt werden kann. Die vorliegende Beschreibung veranschaulicht die Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung. Es versteht sich somit, dass Fachleute in der Lage sein werden, verschiedene Anordnungen zu konzipieren, die zwar hier nicht explizit beschrieben werden, die aber Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung verkörpern und in ihrem Umfang ebenfalls geschützt sein sollen.
Fig. 1 zeigt ein einfaches Feldbussystem mit nur wenigen Komponenten. Dabei ist eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) 30 mit einem Frequenzumrichter 40 verbunden, der den Drehstrom für den Lauf des Elektromotors 60 erzeugt. Zum Beispiel handelt es sich bei dem Elektromotor 60 um einen Drehstrom-Asynchronmotor. Die SPS 30 steuert dabei den Frequenzumrichter 40, indem sie die entsprechenden Steuerungsbefehle über den Feldbus 70 an den Frequenzumrichter 40 überträgt. Das Prinzip von Feldbussystemen besteht darin, dass die Messwerterfassung durch eine Ein/Ausgabe-Einheit vor Ort bei den verschiedenen Sensoren der Maschine oder Anlage geschieht, die Steuerung der Maschine oder Anlage jedoch in der Steuerungseinheit 30, die zentral angeordnet ist, geschieht. Über den Feldbus 70 werden die E/A-Daten zu der Steuerungseinheit 30 übertragen. Als Feldbus kommen die verschiedenen bekannten Feldbusvarianten in Betracht. Beispiele von Feldbussystemen sind Interbus, Profibus, Profinet, Ethernet, EtherCAT, CAN-Bus, HART usw. Es können noch weitere Komponenten an den Feldbus 70 angeschlossen werden. Als Beispiel wird ein Hybrid-Motorstarter genannt (nicht dargestellt), der Funktionen erfüllt wie Motoranlauf, Wendefunktion, Motorschutz und Not-Halt. Zusätzlich muss der Laststrom, mit dem der Elektromotor 60 angetrieben wird, laufend überwacht werden, damit die SPS 30 ihre Steuerungsaufgabe erfüllen kann. Dazu dient ein Stromessgerät 20, das den Laststrom erfasst und der SPS 30 zur Verfügung stellt. Dem Strom messgerät vorgeschaltet ist ein Stromwandler 10, der den hohen Laststrom im Elektromotor 60 von z.B. 200A AC Primärstrom in einen Sekundärstrom umwandelt, der einfacher messtechnisch erfassbar ist, z.B. ein Sekundärstrom von 1A AC.
Dieses 1A Stromsignal wird an das Strommessgerät 20 weitergeleitet und kann dort mit einem intern verbauten Stromsensor (Hall-Element mit ASIC) gemessen werden.
Im Folgenden wird genauer auf das Strommessgerät 20 eingegangen.
Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild des neuartigen Strommessgerätes 20. Dabei wird das Strom messgerät 20 so dargestellt, dass es im Wesentlichen aus den beiden Komponenten Stromsensor 21 und Strommessumformer 22 besteht, die miteinander verbunden sind. Beide Komponenten Stromsensor 21 und Strommessumformer sind allerdings in einem Gehäuse untergebracht. Typischerweise wird das Stromkabel, das von dem Stromwandler 10 kommt, durch eine Öffnung im Gehäuse hindurchgeführt.
In der Fig. 2 bezeichnet die Bezugszahl 22 den Strommessumformer. Bei dieser Variante sind Strommessumformer 22 und Stromsensor 21 in einem einzigen Gehäuse untergebracht. Dies ist in der Fig. 2 dargestellt. Neben Stromsensor 21 und Strommessumformer 22 sind DIP-Schalter 24 gezeigt, die auch Teil des Strommessumformer 22 sein können. Mit ihnen kann die Grundkonfiguration des Strommessumformers 22 eingestellt werden. Dies bezieht sich z.B. auf die Konfiguration der Ausgänge des Strommessumformers 22. Mit der Bezugszahl 26 ist ein Ausgabebaustein des Strommessumformers 22 bezeichnet. In diesem können als Beispiel analoge Ausgänge und digitale Ausgänge enthalten sein, die über die DIP-Schalter 24 gewählt werden können. Weiterhin ist eine Kommunikationsschnittstelle 24' vorgesehen. Diese kann einer Feldbusschnittstelle entsprechen, wie zuvor erläutert. In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel werden die Messergebnisse über die Kommunikationsschnittstelle 24' ausgegeben und an die Steuerung 30 übertragen. Das geschieht ja wie beschrieben über den Feldbus 70.
Ein Prinzipbild eines derartigen Stromsensors 21 ist in der Fig. 3 gezeigt. Das Messprinzip solcher Stromsensoren 21 beruht auf dem physikalischen Effekt der Messung des Magnetfeldes, das das Stromkabel umgibt, wenn durch ihn ein Strom fließt. Dieses Magnetfeld kann durch ein oder mehrere Hall-Elemente erfasst werden. Damit kann der Wechselstrom, der durch das Stromkabel fließt, messtechnisch erfasst werden, denn der Wechselstrom erzeugt ein veränderliches Magnetfeld, welches in den Hall-Elementen eine Spannung erzeugt. Die Hall-Elemente sind auch in der Lage, Gleichströme zu erfassen.
Um das Magnetfeld zu verstärken und gegenüber äußeren Einflüssen abzuschirmen, können bei vielen Anwendungen Feldkonzentratoren 17 eingesetzt werden. Das sind ferromagnetische Ringkörper, die das Magnetfeld auf die Hall-Elemente lenken. Wie in Fig. 3 dargestellt werden die Hall-Elemente mit der Elektronik in einem Luftspalt angeordnet, der im Feldkonzentrator 17 vorgesehen ist.
Die Hall-Elemente werden aus dünnen Halbleiterplättchen hergestellt. An den Enden des Halbleiterplättchens wird eine Spannung angelegt, so dass ein Messstrom durch das Halbleiterplättchen fließt. Das Halbleiterplättchen wird im Stromsensor 21 so angebracht, dass die Magnetfeldlinien möglichst lotrecht durch das Plättchen gehen. So entsteht an den beiden Messkontakten des Halbleiterplättchens aufgrund der Kraftwirkung auf die Ladungsträger eine Spannung, die erfasst wird und Aufschluss über die Stromstärke gibt.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild des Stromsensors 21. Mit der Bezugszahl 11 ist eine Hall-Sonde mit 4 Hall-Elementen bezeichnet. Die Hall-Sonde 11 soll über einen weiten Messbereich den Strom durch die Stromversorgungsleitung 80 messen können. Dies wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst: Dafür wird der Stromsensor 21 mit verschiedenen Anpassungsschaltungen ausgestattet. Die Bezugszahl 13 bezeichnet eine Offset-Anpassungsschaltung. Damit kann eine Gleichspannung dem Messsignal aufgeprägt werden, um eine produktionsbedingte Serienstreuung der Hall-Sonden 11 zu kompensieren. Die Bezugszahl 14 bezeichnet eine Verstärkungsanpassungsschaltung. Damit wird das Verhalten des Messverstärkers (nicht gesondert dargestellt) eingestellt. Z.B. kann der Verstärkungsfaktor darüber eingestellt werden. Weiterhin bezeichnet die Bezugszahl 15 eine Temperaturanpassungsschaltung. Mit ihr kann einerseits die Temperatur gemessen werden und in Abhängigkeit davon die Temperaturabhängigkeit der Hall-Spannung kompensiert werden. Es zeigt sich damit, dass für die Umschaltung des Messbereiches der Hall-Sonde 11 zumindest Offsetanpassung und Verstärkungsanpassung verändert werden müssen. Dies kann aber sogar auch die Temperaturanpassung betreffen. Die Fig. 4 zeigt auch die Anschlüsse des Stromsensors 21 , über die der Stromsensor 21 mit dem Strommessumformer 22 verbunden wird. Der Anschluss VDD bezeichnet den Pluspol der Spannung, die an die Hall-Sonde 11 angelegt wird. Darüber wird aber auch die Versorgungsspannung für die Anpassungsschaltungen 13, 14, 15 und den Speicher 12 geliefert. Mit VSS wird der Masseanschluss bezeichnet. Über den Ausgang „Out“ wird das analoge Messsignal ausgegeben. Dies entspricht dem angepassten und temperaturkompensierten Messsignal der Hall-Sonde 11. Der Anschluss „Test“ dient dazu, den Speicher 12 zu beschreiben.
Erfindungsgemäß wird das häufige Umschalten durch Umprogrammieren bestimmter Speicherplätze in dem nichtflüchtigen Speicher 12 realisiert, auf die die verschiedenen Anpassungsschaltungen 13, 14, 15 zugreifen. Dabei ist der nichtflüchtige Speicher 12 z.B. als EEPROM-Speicher realisiert. Dieser behält die einmal einprogrammierten Werte dauerhaft. Außerdem können die Speicherzellen häufig überschrieben werden. Preisgünstige EEPROM-Speicher erlauben etwa 10.000 Schreibzyklen bevor es zu Programmierfehlern kommen kann. Es gibt aber auch hochwertigere EEPROM-Speicher, die sogar 100.000 Schreibzyklen garantieren.
Über den Eingang „Test“ werden die Daten geliefert, die in den ausgewählten Speicherplatz einprogrammiert werden sollen. Um die jeweilige Speicherzelle auswählen zu können, wird über den Eingang „Test“ zunächst die Adresse des Speicherplatzes geliefert, der programmiert werden soll. Anschließend folgt dann das Datenwort, das dort einprogrammiert werden soll. Dafür ist dann in dem EEPROM-Speicher 12 eine Kommunikationsschnittstelle vorgesehen, mit der das Kommunikationsprotokoll unterstützt wird. Es handelt sich z.B. um die bekannte l2C-Busschnittstelle.
Die Fig. 5 zeigt verschiedene Messbereiche des Stromsensors 21. Maximal kann der Stromsensor 21 einen Strom bis 100 A messen. Für diesen Messbereich wird der Stromsensor 21 ab Werk eingestellt. Das Messsignal liegt für diesen Messbereich im Bereich von 0 ... 1 V. Es gibt aber viele Anwendungsfälle, in denen dieser große Messbereich nicht benötigt wird. Deshalb ist in der Fig. 5 als ein weiterer Messbereich der Messbereich von 0 bis 10 A hervorgehoben. Wenn der Anwender dieses Strommessgerät 20 für seinen Anwendungsfall aber nur bis 10 A nutzen möchte, ist es nachteilhaft, die Anpassung unverändert zu lassen. Dies würde bedeuten, dass die Auflösung des Analog-Digital-Wandlers im Strommessumformer 22 viel zu gering ist, weil dieser nur noch den Bereich von 0 ... 0,1 V umsetzen würde, aber die Auflösung auf den Bereich von 0 ... 1 V eingestellt ist. Deswegen sollte der Anwender die Anpassung verändern, um das Messsignal zu verstärken, so dass der Messbereich von 0 ... 10 A auf den Spannungsbereich von 0 ... 1 V abgebildet wird, so dass dann die volle Auflösung des A/D-Wandlers im Strommessumformer 22 ausgenutzt wird.
Die Fig. 6 zeigt jetzt den Ablauf des Programms 100, mit dem die Anpassung des Stromsensors 21 verändert werden kann. Dieser wird an die SPS 30 übermittelt. Diese übermittelt den gewünschten Messbereich 0 .. 10 A an den Strommessumformer 22. Das Programm 100 wird im Strommessumformer 22 abgearbeitet. Die Bezugszahl 102 bezeichnet den Start des Programms. Der Anwender kann die Anpassung über den Arbeitsplatzrechner 50 einstellen. Er wählt den Messbereich 0 ... 10 A aus für seinen gewünschten Anwendungsfall.
In dem Verarbeitungsschritt 104 wird ausgewählt, was nachfolgend erfolgen soll. Es stehen zur Auswahl: Das Durchführen des normalen Messvorgangs, das Durchführen eines einmaligen Anpassungsvorgangs und das Durchführen eines dynamischen Anpassungsvorgangs. Es wird dabei angenommen, dass von der SPS 30 die Information empfangen wurde, einen einmaligen Anpassungsvorgang durchzuführen. Dabei wird dann der Schritt 108 ausgewählt, durch den der Abgleich mit einem festen Wert eingeleitet wird. Im Schritt 108 werden die einzuprogrammierenden Werte einer Tabelle entnommen. Der gewünschte Messbereich dient dabei als Index für die Tabelle. Die eigentliche Umprogrammierung findet im Schritt 112 statt. Dabei werden die ausgewählten Anpassungswerte in die entsprechenden Speicherplätze des EEPROM Speichers 12 für die Anpassungsschaltungen 13, 14, 15 geschrieben. Anschließend werden im Schritt 114 die Messergebnisse an die SPS 30 übermittelt. Wenn nach Umprogrammierung noch kein Messwert vorliegt, wird kein Messergebnis ausgegeben und das Programm springt zum Start des Programms zurück. In dem anschließenden Durchlauf des Programms würden dann Messwerte mit den neuen Anpasswerten erfasst werden und im Schritt 114 an die SPS 30 ausgegeben werden. Die dritte Auswahlmöglichkeit entspricht einem dynamischen Abgleich, mit dem jeweils nach einer bestimmten Anzahl von Messungen eine neue Anpassung erfolgt. Dieser dynamische Abgleich entspricht einer dynamischen Messbereichsumschaltung, wie sie auch von Digitalmultimetern bekannt ist. Es läuft dabei ein Auswertealgorithmus ab, bei dem jeweils die erfassten Messwerte analysiert werden, und wenn die sich ergebenden Stromwerte mit zu geringer Auflösung erfasst wurden, wird durch Umprogrammieren eine Auflösungserhöhung bewirkt.
Es sollte verstanden werden, dass das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörigen Vorrichtungen in verschiedenen Formen von Hardware, Software, Firmware, Spezialprozessoren oder einer Kombination davon implementiert werden können. In einer bevorzugten Variante werden Mikrocontroller mit integriertem RAM-Speicher und integrierten I/O-Schnittstellen eingesetzt. Spezialprozessoren können anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), Reduced Instruction Set Computer (RISC) und/oder Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) umfassen. Vorzugsweise wird das vorgeschlagene Verfahren und die Vorrichtung als eine Kombination von Hardware und Software implementiert. Die Software wird vorzugsweise als ein Anwendungsprogramm auf einer Programmspeichervorrichtung installiert. Typischerweise handelt es sich um eine Maschine auf Basis einer Computerplattform, die Hardware aufweist, wie beispielsweise eine oder mehrere Zentraleinheiten (CPU), einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und eine oder mehrere Eingabe/Ausgabe (I/O) Schnittstelle(n). Auf der Computerplattform wird typischerweise außerdem ein Betriebssystem installiert. Die verschiedenen Prozesse und Funktionen, die hier beschrieben wurden, können Teil des Anwendungsprogramms sein oder ein Teil, der über das Betriebssystem ausgeführt wird.
Die Offenbarung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es gibt Raum für verschiedene Anpassungen und Modifikationen, die der Fachmann aufgrund seines Fachwissens als auch zu der Offenbarung zugehörend in Betracht ziehen würde.
Bezugszeichenliste
Stromwandler 10
Magnetfeldsensor 11 nichtflüchtiger Speicher 12
Offset-Anpassungsschaltung 13
Verstärkungs-Anpassungsschaltung 14
Temperatur-Anpassungsschaltung 15
Schnittstelle 16 Feldkonzentrator 17
Strom messgerät 20
Stromsensor 21
Strommessumformer 22
Mikrocontroller 23 DIP-Schalter 24
Kommunikationsschnittstelle 24'
Ausgabeeinheit 26
Steuerung 30
Frequenzumrichter 40 Arbeitsplatzrechner 50
Elektromotor 60
Feldbus 70
Stromversorgungsleitung 80
Computerprogramm 100 verschiedene Programmschritte 102 - 114

Claims

(Patent-) Ansprüche
1. Strommessgerät zur Messwerterfassung, mit einem Stromsensor (21) und einem Strommessumformer (22), wobei der Messbereich des Stromsensors (21) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (21) wenigstens einen Magnetfeldsensor (11) mit wenigstens einer Anpassschaltung (13, 14, 15) und einen Speicher (12) aufweist, wobei der Strommessumformer (22) eine Eingabeschnittstelle (24) zur Eingabe und/oder eine Kommunikationsschnittstelle (24‘) zur Übermittlung der Information bzgl. der Messbereichsumschaltung aufweist, wobei der Strommessumformer (22) eine Ausgabeschnittstelle (26, 24‘) aufweist zur Ausgabe der Messwerte, wobei die Messbereichsumschaltung für den Stromsensor (21) darauf beruht, dass die Anpassschaltung (13, 14, 15) auf wenigstens einen neuen Anpasswert in dem Speicher (12) zugreift, durch den eine Veränderung des Messsignals des Magnetfeldsensors (11) einstellbar ist.
2. Strom messgerät nach Anspruch 1 , wobei die wenigstens eine Anpassschaltung (13, 14, 15) einer Verstärkungsschaltung entspricht, deren Verstärkungsfaktor durch den wenigstens einen neuen Anpasswert in dem Speicher (12) bestimmt wird.
3. Strom messgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wenigstens eine Anpassschaltung (13, 14, 15) einer Komnpensationsschaltung entspricht, deren Kompensationswert durch den wenigstens einen neuen Anpasswert in dem Speicher (12) bestimmt wird.
4. Strommessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kompensationswert einem Offsetwert entspricht, durch den der Versatz des Messsignals durch Auftreten einer z.B. produktionstechnisch bedingten störenden Gleichspannung kompensiert wird.
5. Strom messgerät nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Kompensationswert einem Korrekturwert für eine Korrekturspannung entspricht, durch die der Versatz des Messsignals durch Auftreten einer Temperaturänderung kompensiert wird.
6. Strom messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Speicher (12) einem nichtflüchtigen Speicher, insbesondere EEPROM- Speicher oder Flash-EPROM-Speicher oder CMOS-RAM-Speicher entspricht.
7. Strommessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eingabeschnittstelle (24) als Auswahlschalter und die Kommunikationsschnittstelle (24‘) als Feldbusschnittstelle ausgelegt ist.
8. Strom messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor (11) wenigstens ein Flall-Element beinhaltet.
9. Strommessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strommessgerät für die Erfassung eines von einem oder mehreren Solarmodulen erzeugten Stroms ausgelegt ist.
10. Stromsensor für ein Strom messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Magnetfeldsensor (11), mit wenigstens einer Anpassschaltung (13, 14, 15), dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (21) einen Speicher (12) aufweist und eine Schnittstelle (16), über die wenigstens ein neuer Anpasswert zur Messbereichsumschaltung des Magnetfeldsensors (11) von einem Strommessumformer (22) empfangbar ist, und eine Speicheradressierungseinheit, über die der wenigstens eine empfangene Anpasswert in den Speicher (12) einschreibbar ist.
11. Stromsensor nach Anspruch 10, wobei die Schnittstelle (16) als Kommunikationsschnittstelle, insbesondere Inter-IC-Busschnittstelle l2C, ausgelegt ist.
12. Strommessumformer für ein Strommessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Strommessumformer (22) einen Mikrocontroller (23) aufweist und eine Ausgabeeinheit (26), über die Messwerte digital oder analog ausgebbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Strommessumformer (22) eine Eingabeschnittstelle (24) zur Eingabe der Information bzgl. der Messbereichsumschaltung und/oder eine Kommunikationsschnittstelle (24‘) aufweist, über die die Information bzgl. der Messbereichsumschaltung zu dem Strommessumformer (22) übertragbar ist, und Mittel zur Generierung oder zum Empfang über die Kommunikationsschnittstelle (24‘) von wenigstens einem neuen Anpasswert zur Messbereichsumschaltung eines an den Strommessumformer (22) anschließbaren Stromsensors (21), wobei der Strommessumformer (22) eine Ausgabeschnittstelle (26, 24‘) aufweist zur Ausgabe der Messwerte, wobei der Mikrocontroller (23) ausgelegt ist, ein Computerprogramm abzuarbeiten, und das Computerprogramm Programmschritte aufweist, die bei Abarbeitung des Programms durch den Mikrocontroller (23) diesen veranlassen, den wenigstens einen neuen Anpasswert über eine weitere Schnittstelle (16) an den Stromsensor (21) zu senden.
13. Strommessumformer nach Anspruch 13, wobei die weitere Schnittstelle (16) als Kommunikationsschnittstelle, insbesondere Inter-IC- Busschnittstelle l2C, ausgelegt ist.
14. Strommessumformer nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Kommunikationsschnittstelle (24‘) als Feldbusschnittstelle ausgelegt ist.
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