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Strommesser Es ist bekannt zur Messung von Stromstärken Widerstände
in den Leitungszug zu schalten und die daran abfallende Spannung z. B. einem Oszillographen
zuzuführen. Besonders bei der Messung großer Stromstärken ergibt sich der Nachteil,
dab die Widerstände sehr große Abmessungen haben und nur mit erheblichem mechanischem
Aufwand in den Leitungszug geschaltet werden können. Weiterhin müssen derartige
Nebenwiderstände (Shunts) im allgemeinen in die Erdleitung des Stromkreises geschaltet
werden, da der Ossillograph nur beschränkt Potential gegenüber der Umgebung annehmen
darf.
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Weiterhin ist es bekannt zur Messung des Stromes in spannungsführenden
Leitungen Stromwandler zu verwenden, die im wesentlichen einen auf der Sekundärseite
niederohmig belasteten Transformator darstellen, der zwischen Primär- und Sekundärwicklung
besonders gut isoliert ist. Auch für einen derartigen Stromwandler sind umfanereiche
Massnahmen erforderlich, um ihm den primärseitig fliegenden Strom zuzuführen. So
muß die Leitung, die den zu messenden Strom führt aufgetrennt werden, um den Stromwandler
einzuschalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strommesseinrichtung
zu schaffen, die ohne Auftrennung der Leitung angebracht werden kann, und die geeignet
ist, auch rasche Stromänderungen zu erfassen.
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Bis zu einem gewissen Grade wird diese Aufgabe von den sogenannten
Zangenstromwandlern, die im wesentlichen aus einem aufklappbaren Eisenkern und einer
Sekundärspule bestehen, gelöst. Derartige Stromwandler sind jedoch nur für einen
bestimmten engen Strombereich ausgelegt und aufgrund des in ihnen verwenaeten Eisenkernes
nicht geeignet, mit hoher Genauigkeit rasche primärseitige Stromänaerungen auf die
Sekundärseite zu übersetzen. Auch diese Zangenstromwandler sind sekundärseitig mit
einem geringen Widerstand belastet, so daß der Sekundärstroi dem Primärstrom proportional
wird.
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Im Gegensatz dazu ist die Strommesseinrichtung nach der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule in Verbindung iiteinemOperationsverstärksr
verwendet wird und daß die Spule mit konstanter Windungszahl pro Längeneinheit auf
einen langgestreckten Körper gewickelt ist, dessen Querschnitt
über
der Länge konstant ist. Weiterhin ist die Anordnung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß Anfang und Ende der langgestreckten Spule in Arbeitsstellung mechanisch miteinander
verbunden werden und daß der Leiter, dessen Stromfluß zu messen ist, durch die von
der Spule umfasste Fläche hindurchgeführt ist.
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Eine Spule nach der Erfindung wird man im allgemeinen hochohmig oder
garnicht belasten, wobei unter hochohmig zu verstehen ist, daß die Zeitkonstante
aus Spuleninduktivität und Belastungswiderstand kurz im Verhältnis zur Dauer der
zu messenden Vorgänge ist. Zweckmäßig wird der Querschnitt der Windungsfläche der
Spule geringer bemessen als 1/5 der Fläche, die die zu einem Kreis geformte Spule
umfasst (Toroidspule). Durch eine derartige Ausbildung der Spule erreicht man, daß
eine Lageänderung der Spule relativ zum Leiter, dessen Strom zu messen ist, keinen
Einfluß auf die Empfindlichkeit der Xeßschaltung hat.
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Da die Ausgangsspannung der Spule der zeitlichen wanderung des zu
messenden Stromes proportional ist, wird der Operationsverstärker nach der Erfindung
in an sich bekannter Weise als Integrator geschaltet. Derartige Integratoren haben
jedoch im allgemeinen den Nachteil, daß sich die Auagangsspannung mit der Zeit ändert,
auch wenn keine Eingansspannung anliegt (Drift). Diese Drift kann erfindunOsgemäß
erheblich vermindert werden, wenn parallel zum Integrationskondensator ein Widerstand
geschaltet wird. Dieser Widerstand ist so zu bemessen, daß die Zeitkonstante, die
sich als Prudukt aus Kapazität und Widerstand ergibt, lang ii Vergleich sur Dauer
der zu messenden Vorgänge ist.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung erscheint es zweckmäßig, den
Operationsverstärker mit einer Batterie zu betreiben. Ausserdem sollte eine Anzeigevorrichtung
zur Prüfung des Batterieladezustandes vorgesehen werden. Spule und Operationsverstärker
können über ein abgeschirmtes Kabel vorzugsweise ein Koaxialkabel miteinander verbunden
werden. Dadurch erhält man eine Verbindungsmöglichkeit von der Me#stelle, die sich
s. B. in einer Hochspannungsanlage oder in einem Leistungsschalter befinden kann,
zum Anzeigegerät hin. Einstreuungen, die auf das
an die Spule angeschlossene Kabel treffen, wirken sich auf den Mesavorgang praktisch
nicht zw, da sie ii allgemeinen hochfrequent sind und bei Integration unterdrUckS
werden.
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Die Figuren zeigen Beispiele für die Ausführung der Brtindun6.
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Figur 1 zeigt eine Anordnung nach der Erfindung bei der eine flexible
Spule mit einem Operationsverstärker zusammengeschaltet ist.
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Figur 2 zeigt eine Toroidspule.
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In Figur 3 sind die Enden der Spule vergrößert und im Schnitt dargestellt.
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Figur 4 zeigt eine St-eckeranerdnung mit den eingeführten Enden der
Spule im Schnitt.
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Figur 5 zeigt eine aus einem Bandleiter gewickelte Spule.
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Figur 6 zeigt die Anordnung nach Figur Sim Schnitt Figur 1 zeigt die
Spule 16, die erfindungsgemä# mit einem Operationsverstärker zusammen benutzt wird.
Die Spule umfasst den Leiter 17, dessen Stromfluß gemessen werden soll. Der Operationsverstärker
ist mit seinem negativen Eingang über einen Widerstand 18 mit der Spule und über
einen Kondensator 20 mit seinem Ausgang verbunden. Der Widerstand 23 ist so groß
bemessen, daß die Zeitkonstante aus Widerstand 23 und Kondensator 20 lang im Vergleich
zur Dauer der zu messenden Vorgänge ist. Der Operationsverstärker ist so auszuwählen,
da# die Offsetspannung, die sich am Ausgang 22 ergibt1 So erhält man eine Anordnung,
die frei von Drift der Ausgangsspannung ist.
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Der Widerstand 21 dient dem Abgleich des Spannungsuffsets und kann
auch in an sich bekannter Seise an einen Spannungsteiler zur Einstellung einer Gleichspannung
gelegt werden.
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Die in Figur 2 @enauer dargestellte Spule besteht aus einem flexiblen
Spulenkörper 1 auf den die Wicklung 2 mit den Anschlu#drähten 3 aufgebracht ist.
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Figur x zeigt die Enden dieser Spule vergrö#ert und im Schnitt. Auf
dem Spulenkörper 1 liegt die Wicklung 2. Der Spulenkörper ist innen hohl und in
seiner Aonse ist der Draht 4 in an sich bekannter Weise (vergleiche die Dissertation
Salge Th. 3raunschweig
gefübrt, so daß beide Drähte und 5 an einem Ende der Spule zusammen
Durch die Rückführung des Leiters 4 in der Achse des Spulenkörpers vermeidet man,
daß die Spule selest eine grobe Windung bildet. Die gleiche Wirkung ergibt sich
durch zweilage Ausführung der Wicklung. ie erläuterte langgestreckte flexible Spule
:ß zur Messung des Stromes in einem beliebigem Leiter in an sich bekannter Weise
um diesen Leiter herumgelegt werden. Um einen konstanten Kopplungsfaktor zwischen
dem zu /klein im Vergleich zum Spannungshub des Ausgangs it.
messenden
Strom und der Spule zu erhalten, sind die beiden in Figur 3 dargestellten Enden
8 und 9 der Spule nahe aneinander zu bringen. Die in Figur 3 ebenfalls dargestellte
koaxiale Anordnung 7 erleichert die Benutzungderartiger Spulen. Gemäß der Erfindung
ist das Spulenende 8, das die beiden Anschlu#drähte d und 5 trägt. mit einer Vergusamasse
10 fest mit der koaxialen
Steckeranordnung verbunden. Das andere y der Spule ist in die Anordnung nur eingesteckt
und wird von der federnden Masse 11 gehalten. Zur Befestigung des Endes 8 dient
die Vergußmasse 10. Der Innenleiter 6 des Steckers ist mit einer Vergußmasse 15
befestigt.
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Zur Anwendung bei hohen Frequenzen ist eine Ausführung der Spulenwicklung
nach Figur S geeignet. Hierbei ist die Wicklung aus einem Bandleiter 12 auf den
Spulenkörper 1 aufgebracht, der wiederum innen hohl ist und bei dem der Innenleiter
13 ein Hohlzylinder ist. Wie aus Figur 5 erkenntlich ist, hat der Innenleiter einen
Längsschlitz 14.
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Durch geeignete Wahl der Dicke des Spulenkörpers 1 aus Isolierstoff
und der Durchmesser von Innenleiter und Wicklung sowie der Breite der Bandleiter
12 hat man es in der Hand, den Wellenwiderstand, den man zwischen den Anschlüssen
der Spule misst, dem Wellenwiderstand einer an die Spule antuschließenden Leitung
anzupassen. Diese neuartige Anordnung gestattet eine Verwendung der an sich bekannten
Toxidspulen zur Strommessung auch bei sehr hohen Frequenzen.
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Figur 7 zeigt eine Anordnung nach der Erfindung, die mit einen für
Langzeitintegrationen vervollkommneten Integrator ausgerüstet ist. Von Spule 16
bis Operationsverstärker 19 entspricht sie der Figur tu;e - l£flh ist der Operationsverstärker
25 vorgesehen, der mit den Verstärkerwiderständen 24 und 26 beschaltet ist und den
Gleichstrommotor 30 speist. Mit dem Motor gekoppelt ist ein Generator 31 und ein
wahlweise über 4*tri riabe angeschlossenes Potentiometer 33. Das Potentiometer erhält
von der Spannungsquelle 32 eine Gleichspannung.
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Steigt der Strom im Leiter 17 an, so baut sich am Ausgang des Operationsverstärkers
19 eine Gleichspannung auf. Sie gelangt e e *t Motor 30 und setzt diesen in Bewegung.
Dreht sich der Motor, so gib: der Generator 31 eine dem Drehweg proportionale Spannungszeitfläche
ab, die üher den Widerstand 29 eine dem Drehweg proportionale Ladung auf den Kondensator
20 einspeist.Durch die dargestellte Schaltung ist sichergestellt, daß der Motor
sich gerade so lange beregt, bis die vom Generator eingespeiste Ladungsmenge die
Ladungsmenge, die über den Widerstand 18 von der Spule 16 auf den Kondensator geflossen
ist,
kompensiert. Spannungsabgabe des generators, Spannung der Quelle
32, über setzung zwischen Generator und Pontentiometerwelle, und Widerstand 29 sind
so aufeinander abgestimmt, daß einer Ausgangs-spannung am Operationsverstärker 19
eine gleichgroße, entgegengesetzt gepolte Spannung am Potentiometerabgriff entspricht.
Der Operationsverstärker 28 erhält an seinen beiden Eingängen auf diese Weise zwei
verschiedene Spannungen; die eine Spannung. stammt von dem als Integrator für kurzzeitige
Vorgänge wirkenden Kondensator 20 und die andere von dem als Integrator wirkenden
Motor-Generator mit Potentionmeter. für~Langzeitvorgänge Die Anordnung nach Figur
7 ist für sehr lange Me#zeiten gesignet, und kann ausserdem kurzzeitige Stromänderungen
aufnehmen, wobei die als Vorintegrator anzusehende Einheit mit dem Operationsverstärker
19 die obere und die Einheit mit dem Verstärker 25 und dem Motor-Generator die untere
Grenzfrequenz der Gesamtanordnung bestimmt. Die untere Grensfrequenz ist bei diese
Aufbau praktisch Null, da Drift sich nicht auf den Ausgang auswirken kann.
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Die Anordnung nach Figur 8 zeigt die Spule 16, an die über Trimmerwiderstände
37 und 38 das Kabel 39 und daran der Spannungsteiler mit Widerständen 40 angeschlossen
ist. Der Teilerausgang ist über aen Widerstand 41 mit dem invertlerenden Eingang
des Verstärkers verbunden. Dir WiderstiNde 37 und 38 gestatten es, die Empfindlichkeit
der Spule und ihren Innenwiderstand auf einen vorgegebenen Sollwert einzustellen.
Sie sind zwischen Spule und kabel angeordnet, damit das Kabel nicht die Spule kapazitiv
belastet. So werden Reeonanziohwingunge vermieden.
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Die Widerstände 40 dienen der Zeßbereichaumschaltung. Bei der oberen
Schalterstellung 41 erlangt der ständig wirksame Widerstand 41 Bedeutung, der verhindert,
daß der Verstärkereingang unmittelbar mit der Kabelkapazität verbunden wird. Auf
diese Weise wird Schwingneigung des Operationsverstärkers vermieden.