DE10204425B4

DE10204425B4 - Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip

Info

Publication number: DE10204425B4
Application number: DE10204425A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Lenhard; Stefan Schäfer
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2002-02-04
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2022-02-05
Also published as: DE10204425A1

Abstract

Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip mit
mindestens einem Primärleiter (3), durch den ein zu messender Strom (I_in) fließt,
mindestens einer Kompensationswicklung (2), die mit einem Kompensationsstrom (I_ko) gespeist wird,
einer Magnetfeldsonde (4) zur Messung eines von Primärleiter (3) und Kompensationswicklung (2) erzeugten resultierenden Magnetfeldfeldes,
einem Kern (1) zur magnetischen Kopplung von Primärleiter (3), Kompensationswicklung (2) und Magnetfeldsonde (4),
einer Kompensationsschaltung (5, 6), die eingangsseitig mit der Magnetfeldsonde (4) und ausgangsseitig mit der Kompensationswicklung (2) den Kompensationsstrom (I_ko) erzeugend verschaltet ist, und
einer Strommessschaltung (7) zur Bestimmung des Kompensationsstromes (I_ko) als Maß für den in dem Primärleiter (3) fließenden, zu messenden Strom (I_in), gekennzeichnet, durch
eine Testsignalquelle (8, 9) zur Einspeisung eines Testsignals (I_t, U_t) in den Stromkreis zwischen Magnetfeldsonde (4) und Kompensationswicklung (2) derart, dass das Testsignal (I_t, U_t) eine Kompensationsstromänderung oder eine Änderung der Spannung am Ausgang der Kompensationsschaltung hervorruft.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip mit einem Primärleiter, durch den ein zu messender Strom fließt; mit einer Kompensationswicklung, die mit einem Kompensationsstrom gespeist wird; mit einer Magnetfeldsonde zur Messung eines von Primärleiter und Kompensationswicklung erzeugten resultierenden Magnetfeldes; mit einem Kern zur magnetischen Kopplung von Primärleiter, Kompensationswicklung und Magnetfeldsonde; mit einer Kompensationsschaltung, die eingangsseitig mit der Magnetfeldsonde und ausgangsseitig mit der Kompensationswicklung den Kompensationsstrom erzeugend verschaltet ist; mit einer Strommessschaltung zur Bestimmung des Kompensationsstromes als Maß für den in den Primärleiter fließenden, zu messenden Strom; und mit einer Testsignalquelle, die ein Testsignal vorgibt, das eine Änderung des Kompensationsstromes oder der Ausgangsspannung hervorruft.
Derartige Stromsensoren sind beispielsweise in der DE 42 30 939 C2 beschrieben. Stromsensoren nach dem Kompensationsprinzip sind in einer Vielzahl von Ausgestaltungen im Stand der Technik beschrieben.
So ist beispielsweise aus der EP-A-0 742 440 ein Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip bekannt, bei dem mittels eines mit einer Magnetfeldsonde verbundenen Treibers in die Primärwicklung eines Ringkerns ein zu messender Strom eingespeist wird. Der Treiber regelt den Kompensationsstrom derart, dass das Magnetfeld im Ringkern vollständig bis auf einen verschwindend kleinen Wert ausgeregelt wird. Der Kompensationsstrom ist dann ein Maß für den in der Primärwicklung fließenden Strom. Kompensationsstromwandler führen demnach in der Kompensationswicklung einen Strom, der zum zu messenden Strom im Primärleiter (Primärwicklung) proportional ist. Die Stromstärke des Sekundärstroms wird üblicherweise mit einem Bürdenwiderstand in ein Spannungssignal umgewandelt und ist proportional zum zu messenden Strom.
Eine andere Ausführungsform eines Stromsensors ist aus der DE 196 42 472 A bekannt. Bei dieser Bauart wird die Endstufe für den Kompensationsstrom über eine getaktete Endstufe angesteuert. Die Steuergröße für die Endstufe wird über ein frequenzmoduliertes Signal mit konstanter Pulslänge angesteuert.
Eine Ansteuerung der Endstufe mit einem Pulsweitenmodulationsverfahren ist auch aus der DE 197 05 767 C2 bekannt. Durch die Pulsweitenmodulation ergeben sich Vorteile hinsichtlich des Leistungsbedarfs. Beispiele für weitere Kompensations-Stromsensoren sind in der EP 1 32 745 B1 ; Patent Abstracts of Japan, (C) 1995, JPO, JP 71 10 345 AA ; und Patent Abstracts of Japan, (C) 1994, JPO&Japio, JP 58 033 167 AA beschrieben.
Problematisch ist jedoch bei den vorstehend genannten Stromsensoren, dass diese insbesondere im Betrieb nicht ohne weiteres auf ihre Funktionsfähigkeit hin überprüft werden können. Zwar ist in der DE 198 44 726 A1 und der eingangs genannten DE 42 30 939 C2 ein Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip beschrieben, der mit einer Einrichtung zur Erkennung von Sensorfehlern (z. B. Latch-up) ausgestattet ist, dieser erkennt allerdings nur einige wenige unzulässige Betriebszustände, so dass eine generelle Aussage über die Funktionsfähigkeit des Stromsensors nicht gemacht werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Stromsensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass seine Funktionsfähigkeit umfassend geprüft werden kann.
Die Aufgabe wird durch einen Stromsensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Vorteil der Erfindung ist es, dass die Funktionsfähigkeit zu beliebigen Zeitpunkten, auch während des Betriebs, und ohne irgendwelche Eingriffe in den Stromsensor vorgenommen werden können.
Erzielt wird dies bei einem Stromsensor der eingangs genannten Art dadurch, dass eine Testsignalquelle zur Einspeisung eines Testsignals in den Stromkreis zwischen Magnetfeldsonde und Kompensationswicklung vorgesehen ist, wobei das Testsignal eine Kompensationsstromänderung hervorruft, die entsprechend ausgewertet werden kann.
Das Testsignal kann dabei am Ausgang der Kompensationssschaltung oder am Eingang der Kompensationsschaltung oder in die Kompensationsschaltung selbst eingespeist werden. Der Vorteil ist dabei, dass kein mechanischer Eingriff in den Übertrager mit Kern, Primärleiter, Kompensationswicklung und Magnetfeldsonde notwendig ist.
Die durch das Testsignal hervorgerufene Kompensationsänderung wird bevorzugt entweder durch die Strommessschaltung oder als Spannung am Ausgang der Kompensationsschaltung ausgewertet. Der Aufwand zur Auswertung der Kompensationsstromänderung ist hierbei sehr gering.
Bei der Auswertung wird bevorzugt die durch das Testsignal hervorgerufene Kompensationsänderung mit einem vorgegebenen Erwartungswert verglichen und ein Fehlersignal erzeugt, wenn die Kompensationsstromänderung von diesem zu erwartenden Wert abweicht. Die Strommessschaltung weist bevorzugt einen ohmschen Messwiderstand auf, der in Reihe zur Kompensationswicklung geschaltet ist. Damit ist mit geringstem Aufwand eine Messung des Kompensationsstromes möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit ausgangsseitiger Einspeisung des Testsignals,
2 ein zweites Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit eingangsseitiger Teststromeinspeisung und
3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit Einspeisung des Teststroms in die Kompensationsschaltung.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf einen geschlitzten Ringkern 1 eine Kompensationsspule 2 aufgewickelt, wobei durch den Ringkern 1 ein Primärleiter 3 geführt ist. Der Primärleiter 3 führt dabei einen zu messenden Strom I_n. In eine Ausnehmung des Ringkerns 1 in Höhe des Schlitzes ist ein Magnetfeldsensor 4 angeordnet, der beispielsweise aus einem Hall-Element oder wie im vorliegenden Fall durch eine Sondenwicklung gegeben ist. Dem Magnetfeldsensor 4 ist eine Auswerteschaltung 5 nachgeschaltet, der wiederum ein Treiberverstärker 6 folgt. Der Treiberverstärker 6 dient zur Ansteuerung der Kompensationswicklung 2 unter Zwischenschaltung eines Bürdenwiderstandes 7. Eine über dem Bürdenwiderstand 7 abfallende Spannung U_out ist ein Maß des durch die Kompensationswicklung 2 fließenden Stromes, nämlich des Kompensationsstromes I_ko und damit des durch den Primärleiter 3 fließenden, zu messenden Stromes I_in.
Die Funktionsweise des gezeigten Stromsensors beruht darauf, dass der durch den Primärleiter 3 fließende Strom I_in im Kern 1 ein Magnetfeld induziert, das von dem Magnetfeldsensor 4 erfasst wird. Die Auswerteschaltung 5 wertet dabei die vom Magnetfeldsensor 4 erhaltenen Informationen aus und erzeugt davon abhängig unter Zwischenschaltung des Treiberverstärkers 6 den Kompensationsstrom I_ko. Der Kompensationsstrom I_ko wird dabei so eingestellt, dass das Magnetfeld im Kern 1 auf ungefähr null ausgeregelt wird. Zwar ist der Kompensationsstrom I_ko kleiner als der im Primärleiter 3 fließende, zu messende Strom I_in, jedoch wird aufgrund der deutlich höheren Wicklungszahl der Kompensationswicklung 2 gegenüber dem Primär leiter 3 der betragsmäßig gleiche Magnetfluss erreicht. Im eingeregelten Zustand ist daher der Kompensationsstrom I_ko proportional zum zu messenden Strom I_in. Der Kompensationsstrom I_ko erzeugt über dem Bürdenwiderstand 7 die Spannung U_out, die ihrerseits ein Maß für den zu messenden Strom I_in ist.
Zum Testen wird beim Ausführungsbeispiel nach 1 ein Teststrom I_t zusätzlich zum Kompensationsstrom I_ko in die Kompensationswicklung 2 eingespeist. Zur Auswertung der durch den Teststrom I_t bewirkten Kompensationsstromänderung kann die Spannung über dem Bürdenwiderstand 7, nämlich die Ausgangsspannung U_out, oder die Spannung am Ausgang des Treiberverstärkers 6 herangezogen werden. Die durch den Teststrom I_t bewirkte Änderung des Stromes durch die Kompensationswicklung 2 bedingt dabei eine bestimmte Spannungsänderung bei der Ausgangsspannung U_out bzw. der Fehlerspannung U_c am Ausgang des Treiberverstärkers 6. Tritt diese Änderung nicht oder nicht im gewünschten Maße ein, so ist davon auszugehen, dass der Stromsensor fehlerhaft arbeitet. Da der Kompensationsstrom I_ko als über die Magnetfeldsonde 4 geregelte Stromquelle unabhängig vom Teststrom I_t bleibt, kann beim Ausführungsbeispiel nach 1 die Ausgangsspannung U_out ohne Zusatzmaßnahmen die Ausgangsspannung U_out in Abhängigkeit vom zu messenden Strom I_in weiterverarbeitet werden. Am Ausgang des Treiberverstärkers 6 kann dann die Spannung U_c als Testspannung abgegriffen werden. Alternativ wäre es auch möglich, an Stelle des Teststroms I_t eine Testspannung U_t einzuspeisen und dafür einen entsprechenden Strom I_c am Ausgang des Treiberverstärkers 6 abzunehmen.
Im vorliegenden Fall ergibt sich die Spannung U_c aus dem Produkt aus dem Gesamtstromes von Teststrom I_t und Kompensationsstrom I_ko und der Summe der Widerstände von Bürdenwiderstand 7 und Kompensationswicklung 2. Beim Ausführungsbeispiel nach 1 wird der Teststrom I_t durch eine Konstantstromquelle 8 bereitgestellt.
Das Ausführungsbeispiel nach 2 ist gegenüber dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dahingehend abgeändert, dass die Teststromquelle 8 den Teststrom I_t nicht am Ausgang des Treiberverstärkers 6 sondern am Eingang der Auswerteschaltung 5 einspeist. In diesem Fall kann dann die Reaktion des Kompensationsstroms I_ko auf den Teststrom I_t ausgewertet werden und daraus entsprechend ein Fehlersignal erzeugt werden. Dabei erzeugt der Teststrom I_t in der Sondenwicklung 4 ein zusätzliches Magnetfeld, so dass der Kompensationsstrom I_ko auf dieses zusätzliche Magnetfeld reagiert. Der Kompensationsstrom I_ko setzt sich in diesem Falle aus einem Anteil zusammen, der vom zu messenden Strom I_in herrührt, und einem Anteil, der vom Teststrom I_t herrührt.
Das Ausführungsbeispiel nach 3 ist gegenüber dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dahingehend abgeändert, dass kein Teststrom I_t sondern eine Testspannung U_t eingespeist wird. Die Testspannung U_t wird dabei in den Eingang des Treiberverstärkers 6 eingespeist. Der Kompensationsstrom I_ko setzt sich dabei wiederum aus zwei Teilströmen zusammen, von denen der eine Teilstrom vom zu messenden Strom I_n abhängt und der andere Teilstrom von der Testspannung U_t herrührt. Die Testspannung U_t wird durch eine Testspannungsquelle 9 bereitgestellt.
An Stelle der Testspannung U_t kann bei entsprechender Ausbildung der Auswerteschaltung 2 und des Treiberverstärkers 3 auch ein Teststrom I_t eingespeist werden. Bei einer digitalen Ausbildung der Auswerteschaltung 5 bzw. des Treiberverstärkers 6 ist es auch möglich, das Testsignal als bestimmten Zahlenwert hinzuzuaddieren. Darüber hinaus bestehen zahlreiche weitere Möglichkeiten, ein entsprechendes Testsignal innerhalb von Auswerteschaltungen 5 und/oder Treiberverstärker 6 zu erzeugen.
Schließlich sei noch darauf hingewiesen, dass Auswerteschaltung 5 und/oder Treiberverstärker 6 bei sämtlichen Ausführungsbeispielen nach beliebigen Funktionsprinzipien arbeiten können, d. h. sowohl analoge als auch digitale Ausgestaltungen, kontinuierliche und oder gepulste, insbesondere pulsweitenmodulierte Ausführungen möglich sind. Als Magnetfeldsonden kommen dabei sowohl Sondenwicklungen als auch Hall-Sensoren in Betracht.

1: Kern
2: Kompensationswicklung
3: Primärleiter
4: Magnetfeldsensor
5: Auswerteschaltung
6: Treiberverstärker
7: Bürdenwiderstand
8: Teststromquelle
9: Testspannungsquelle
I_in: Zu messender Strom
I_ko: Kompensationsstrom
U_out: Ausgangsspannung
I_t: Teststrom
U_t: Testspannung
U_c: Fehlerspannung

Claims

Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip mit mindestens einem Primärleiter (3), durch den ein zu messender Strom (I_in) fließt, mindestens einer Kompensationswicklung (2), die mit einem Kompensationsstrom (I_ko) gespeist wird, einer Magnetfeldsonde (4) zur Messung eines von Primärleiter (3) und Kompensationswicklung (2) erzeugten resultierenden Magnetfeldfeldes, einem Kern (1) zur magnetischen Kopplung von Primärleiter (3), Kompensationswicklung (2) und Magnetfeldsonde (4), einer Kompensationsschaltung (5, 6), die eingangsseitig mit der Magnetfeldsonde (4) und ausgangsseitig mit der Kompensationswicklung (2) den Kompensationsstrom (I_ko) erzeugend verschaltet ist, und einer Strommessschaltung (7) zur Bestimmung des Kompensationsstromes (I_ko) als Maß für den in dem Primärleiter (3) fließenden, zu messenden Strom (I_in), gekennzeichnet, durch eine Testsignalquelle (8, 9) zur Einspeisung eines Testsignals (I_t, U_t) in den Stromkreis zwischen Magnetfeldsonde (4) und Kompensationswicklung (2) derart, dass das Testsignal (I_t, U_t) eine Kompensationsstromänderung oder eine Änderung der Spannung am Ausgang der Kompensationsschaltung hervorruft.
Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Testsignal (I_t, U_t) ein Teststrom (I_t) ist, der am Ausgang der Kompensationsschaltung (5, 6) eingespeist wird.
Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Testsignal (I_t, U_t) am Eingang der Kompensationsschaltung (5, 6) eingespeist wird.
Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Testsignal (I_t, U_t) in die Kompensationsschaltung (5, 6) eingespeist wird.
Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Testsignal (I_t, U_t) hervorgerufene Kompensationsstromänderung durch die Strommessschaltung (7) ausgewertet wird.
Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Testsignal (I_t, U_t) hervorgerufene Kompensationsstromänderung als Spannung am Ausgang der Kompensationsschaltung (5, 6) ausgewertet wird.
Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehlersignal (U_c) erzeugt wird, wenn die durch das Testsignal (I_t, U_t) hervorgerufene Kompensationsstromänderung von einem zu erwartenden Wert abweicht.
Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommesschaltung einen ohmschen Messwiderstand (7) aufweist, der in Reihe zur Kompensationswicklung (2) geschaltet ist.
Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Magnetfeldsonde (4) eine Sondenwicklung vorgesehen ist.