DE2300802A1 - Schaltungsanordnung zur potentialfreien strommessung - Google Patents

Description

• "Schaltungsanordnung zur potentialfreien Strommessung" Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum potentialfreien Messen von Gleichströmen und/oder Wecselströmen in Stromkreisen mit hohem Innenwiderstand, bei der der zu messende Strom einen geschlossenen Kern aus magnetisch sättigbarem Material durchflutet.
• Das Messen von Strömen mittels potentialtrennender Anordnungen ist insbesondere in den Fällen erforderlich, in denen sich die stromführenden Leiter (Primärkreis) auf Hochspannungspotential befinden, z.B. bei den Kathoden- und Anodensuleitungen der Röntgendiagnostik-Röhren. Aus Gründen der Störsicherheit wird dabei vielfach gefordert, daß möglichst keine elektronischen oder elektromechanischen Bauelemente in den Primärkreis (auf Hochspannungspotential) eingefügt werden dürfen. Darüber hinaus soll die Strommeßeinrichtung, z.B. als Istwertaufnahmer für Regelungszwecke, eine möglichst hohe Grenzfrequenz besitzen.
• Bekannte Schitungsanordnungen zur potentialtrennenden Strommessung ohne elektronische oder elektromechanische Bauelemente im Primärkreis arbeiten nach dem Prinzip der Erfassung des mit dem Primärstrom verkoppelten Magnetfeldes.
• Der Bestimmung des-Magnetfeldes mittels Halbleiter unter Ausnutzung des Hall-Effektes haftet der Nachteil oft erheblicher Nullpunktsdrift an.
• Gleichstromwandler nach dem Prinzip der Durchflutungskompensation haben unter anderem den Nachteil, daß sie Primärdurchflutungen voraussetzen, die groß gegen die Sättigungsdurchflutung sind (z.3. bei einer nach dem Prinzip des Gleichspannungssätigungswandlers arbeitenden Schaltung -ATM, Peb. 1964, S. R 13 - R 24), wobei der Magnetisierungsstrom des Wandlerkerns im allgemeinen als vernachlässigbar angenommen wird.
• Eine bekannte Schaltungsanordnung zur Messung magnetischer Feldstärken, die unterhalb der Sättigungsfeldstärke des verwendeten magnetischen Materials liegen (Meßtechnik 10 (1970) S. 205 - 209), benutst einen zeitlich dreieckförmigen, symmetrisch zu Null verlaufenden Strom zur Vormagnetisierung des Materials und wertet die durch das zu messende Magnetfeld hervorgerufene Verschiebung der Nulldurchgänge der Induktion B als zeitverschlüsselte Meßgröße für das Magnetfeld aus. Diese Anordnung ist im Prinzip auch für die Messung kleiner Durchflutungen eines geschlossenen Kerns anwendbar, hat Jedoch den Nachteil, daß der Zustand 3 = 0 nur bei Materialien mit ausgeprägtem Wendepunkt bei B = 0 leicht zu detektieren ist, der sich überdies auch bei starker Vormagnetisierung durch des Primärstrom aus seiner Lage bei 3 = 0 nicht verändern darf, wenn Linearitätsabweichungen bei der Messung vermieden werden sollen.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die die genannten Nachteile und Schwierigkeiten bekannter Schaltungen vermeidet.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kern mittels einer ansteuerbaren Stromquelle mit linear mit der Zeit ansteigendem oder abfallendem (Pump-) Strom in gleichem Maße abwechselnd in beide Sättigungsrichtungen ausgesteuert wird, daß in einer Komparatorschaltung die Zeitpunkte des Erreichens symmetrisch zu Null liegender Sättigungswerte des Kerns aus einer in einer Zusatzwicklung des Kerns induzierten Spannung festgestellt werden, und daß zu diesen Zeitpunkten die Stromquelle Jeweils umgesteuert wird, wobei der zeitliche Mittelwert des Pumpstromes als Maß für den zu messenden Strom dient. Durch das mit einer Frequenz, die groß ist im Vergleich zur Frequenz des zu messenden Stromes, vorgenommene symmetrische Magnetisieren des preises ergibt sich ein Mittelwert des Pumpstromes, der dem zu messenden Primärstrom proportional ist. Die Primärdurchflutung wird, unabhängig von ihrer Größe im Vergleich zur Durchflutung durch den Pumpstrom und ihren Vorzeichen, durch eine Meßspannung angegeben, welche durch Herausfiltern des hochfrequenten Pumpspektrums aus dem Pumpstrom gewonnen wird.
• Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird im folgenden die Erfindung näher erläutert.
• Es zeigen: Fig. 1a - 1d ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung als Blockschaltbild einschließlich des Verlaufs wichtiger Signale, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Komparatorschaltung, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stromquellenschaltung, Fig. 4 ein Beispiel für die erfindungsgemäße Filterschaltung.
• In Fig. 1a wird der den zu messenden Strom i1 führende Leiter 1 durch den geschlossenen magnetischen Kreis 4, der hier durch einen Ringkern dargestellt ist, geführt. Mehrfachdurchflutung ist ebenfalls möglich. Das magnetische Material 4 wird durch das zu i1 gehörende magnetische Feld H1 vormagnetisiert. Von einer Stromquellenschaltung 20 wird din linear ansteigender (Pump-) Strom ip durch die Hilfswicklung 3 und den Stromsapannungswandler 30 getrieben.
• Es gilt für den Stromverlauf, wenn der Anfangsstrom Null ist: wobei ipo und T Konstanten sind (Fig. 1b). Durch das mit ip verbundene magnetische Feld Hp wird der Kern 4 zusätzlich magnetisiert. Sobald die Sättigung erreicht ist, nimmt die durch ip hervorgerufene Anderung des magnetischen Flusses in 4 stark ab. Die in einer Hilfswicklung 2 induzierte Spannung u8t brinht infolgedessen zusammen (Fig. 1c).
• In einer mit 2 verbundenen Komparatorschaltung 10 mit hochohmigem Eingang wird die in 2 induzierte Spannung ust mit einer einstellbaren Schwellspannung uk verglichen.
• Unterschreitet /ust/ die Schwelle uk (zeitpunkt t1), so wird von 10 ein Signal 19 an die Stromquellen-Schaltung 20 abgegeben, das bewirkt, daß ip seine Steigungsrichtung umkehrt: Hierauf werden nacheinander die Bereiche 6 und 7 der Hysteresekurve (Fig. 1d) durchlaufen, bis erneut Sättigung eintritt (Zeitpunkt t2). Dieser Zustand wird in gleicher Weise von der Komparatorschaltung 10 erkannt und durch das Signal 19 an die Stromquellenschaltung 20 gemeldet, wo dadurch die Richtung des Anstiegs von ip erneut umgepolt wird. Es erfolgt dann das Magnetisieren des Kerns in den Bereichen 8 und 5 der Hysteresekurve Diese Vorgänge wiederholen sich periodisch.
• Da die Hysteresekurve des Kerns symmetrisch durchlaufen wird, d.h. Jeweils bis zu einander entsprechenden Punkten im positiven und negativen Sättigungsbereich, in denen die B-H-Eurve betragsmäßig die gleiche Steigung hat, ist der zeitliche Mittelwert der gesamten magnetischen Feldstärke im Kern für einen Umlauf der Hysteresekurve: ges = H1 + Hp (t) = 0 Daraus folgt wegen der Proportionalität der Feldstärken zu den Durchflutungsströmen: ip = k . i1 wobei k eine Konstante ist. In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erhält der Pumpstrom ip also infolge der Signalrückführung über der Kern einen Mittelwert ip, der dem in einer Ummagnetisierungsperiode als konstant angenommenen zu messenden Strom i1 proportional ist.
• Die Mittelwertbildung wird in einem Filter 40 vorgenommen, in dem die Anteile des Pumpfrequenzspektrums herausgesiebt werden. Das geschieht in bekannter Weise durch ein Tiefpaßfilter oder in einer Schaltungsvariante (Fig. 4) mit Hilfe von zwei Sample-and-Hold-Schaltkreisen und einer Additionsstufe. Hierbei werden die in den Umschaltzeitpunkten (t1, t2 ...) ) vorhandenen Stromwerte ip in analoger Form abwechselnd in zwei Speicherkondensatoren zwischengespeichert, z.B.
• ip (tk) = ip + ipo ip (tk+1 )=ip - ipo Das Ausgangssignal um als Summe dieser beiden Werte beträgt dann 2ip Diese Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß sie bei minimalem Filteraufwand eine hohe Grenzfrequenz des zu messenden Stromes zuläßt, wobei allerdings - in Ubereinstimmung mit dem Abtasttheorem - eine mit der Frequenz zunehmende Treppenform des Ausgangssignals auftritt. Dieses läßt sich mit Hilfe bekannter Siebschaltungen auf einfache Weise glätten.
• Anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 wird der Aufbau und die Funktion einer Komparatorschaltung zur Realisierung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beschrieben. Die in Wicklung 2 induzierte Steuerspannung ust wird über zwei Umschalter (11, 12) zwischen den hochohmigen Eingang 131 eines Komparators 13 und einen Massepunkt der Schaltung gelegt. Der Komparator besitzt eine am Widerstand 132 einstellbare Schaltschwelle (uk in Fig. 1b) und infolge positiver Rückführung (133) eine Hysterese zur Vermeidung von Schwingungen im Umschaltbereich. Die positive Flanke seines Ausgangssignals 134 triggert eine bistabile Kippstufe (J-E-Flipflop) 14, die bei Jeder Triggerung ihr Ausgangssignal (19) invertiert.
• Durch das Signal 19 wird die Spannung u5t, deren Polarität von der Steigungarichtung des Stromes i ip abhängt, synchron zu ip mittels der Schalter 11 und 12 umgepolt, so daß für beide Sättigungsmagnetisierungsrichtungen des Kerns der gleiche Komparator 13 verwendet werden kann, was für die Symmetrie der Kerneättigung von Vorteil ist. Als Schalter sind hierbei und im folgenden vorzugsweise elektronische Schalter (Feldeffekttransistoren) vorgesehen.
• Das Signal 19 dient andererseits zum Umschalten des Schalters 21 der Stromquellenschaltung 20 (Fig. 3), wodurch abwechselnd eine positive oder negative stabilisierte Spannung (U/2) auf den Eingang eines Integrators 22 geschaltet wird, dessen linear mit der Zeit ansteigende oder abfallende Ausgangsspannung einem Leistungsverstärker 23 mit hoher Verstärkung zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 23 ist ein linear ansteigender oder abfallender Strom ip, der an einem Meßwiderstand 30 eine Spannung 39 abfallen läßt,die auf den invertierenden Eingang des Leistungsverstärkers 23 zurückgeführt wird.
• Durch zwei weitere Komparatoren 15 und 16 wird für den Fall, daß der Pumpstrom einen von zwei einstellbaren Werten (Up max, Up min) über- bzw. unterschreitet, über die Setzeingänge 141 bzw. 142 des Flipflops 14 dessen Ausgangssignal 19 invertiert. Hierdurch wird ein definierter Arbeitsbereich der Stromquellenschaltung 20 und ein sicheres Einschwingen der Schaltungsanordnung nach der Inbetriebnahme sowie im Störungsfall erreicht. Eine alternative Maßnahme zur Sicherung des Einschwingens kann durch eine einfache (in der Zeichnung nicht dargestellte) Ossillatorschaltung realisiert werden, wobei das Ausgangssignal des Komparators (13) das Flipflop (14) vorzugsweise über eine astabile Kippstufe triggert, deren Periodendauer der längsten Anstagszeit des Stromes (ip) entspricht. Bei Ausbleiben des Ausgangssignals des Komparators (13) triggert die Ossillatorschaltung das Flipflop (14), während im eingeschwungenen Zustand der Schaltungsanordnung das Ausgangssignal des Komparators (13) auf das Flipflop (14) gelangt.
• Die Sample-and-Hold-Schaltung (Fig. 4) wird in diesem Ausführungsbeispiel vom Signal 134 zu den Zeitpunkten der Kernsättigung getriggert, indem ein Monoflop 41, das die Sample-Zeit bestimmt, gekippt wird. Sein Ausgangssignal schließt über eine Torstufe (43 oder 44) einen von zwei elektronischen Schaltern (45, 46) und läßt den zugehörigen Speicherkondensator (47 bzw. 48) auf den Wert der Spannung 39 aufladen. Am Ende der Sample-Zeit wird der digitale Speicher 42 (J-E-Flipflop) in den komplementären Zustand gekippt, so daß bei Eintreffen des nächsten Triggerimpulses 134 das Sample-Signal über die entsprechende Vorstufe den anderen Schalter schließt. Die in den Kondensatoren (47, 48) gespeicherten Signale sind daher den Pumpstromamplituden in benachbarten Sättigungszeitpunkten proportional. Ihre Summe um, in der Additionsstufe 49 gebildet, ist nach obigen Ausführungen dem zu messenden Strom (i1) proportional.
• Die sich aus den beschriebenen Beispielen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergebenden Vorteile sind: Bei hoher "Pumpfrequenz" eine hohe Grenzfrequenz des zu messenden Stromes sowie geringes Kernvolumen, zulässige Primärdurchflutungen sowohl oberhalb als auch unterhalb der Sättigungsdurchflutung des magnetischen Kreises, konstante Kurvenform des zeitlichen Verlaufs der durch den Kern induzierten Spannung unabhängig von der -Größe der Primärdurchflutung infolge symmetrischer Ummagnetisierung des Kerns und damit einfaches Detektieren der Kernsättigung und Unabhängigkeit von der Forderung eines ausgeprägten Wendepunktes in der Magnetisierungskurve bei der Induktion Null. PATENTANSPRÜCHE:

Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Schaltungsanordnung zum potentialfreien Messen von Gleichströmen und/oder Wechselströmen in Stromkreisen mit hohem Innenwiderstand, bei der der zu messende Strom (i1) einen geschlossenen Kern (4) aus magnetisch sättigbarem Material durchflutet, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (4) mittels einer ansteuerbaren Stromquelle (20) mit linear mit der Zeit ansteigendem oder abfallendem (Pump-) Strom (ip) in gleichem Maße abwechselnd in beide Sättigungsrichtungen ausgesteuert wird, daß in einer Komparatorschaltung (10) die Zeitpunkte des Erreichens sgmmetrisch zu Null liegender Sättigungswerte des Kerns aus einer in einer Zusatzwicklung (2) des Kerns induzierten Spannung (ust) festgestellt werden, und daß zu diesen Zeitpunkten die Stromquelle (20) Jeweils umgesteuert wird, wobei der zeitliche Mittelwert des Pumpstromes (Ip) als Maß für den zu messenden Strom dient.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom (ip) einen Strom-Spannungswandler (30), vorzugsweise einen Widerstand, durchfließt, in dem ein Signal (39) entsteht, dessen Mittelwert dem zu messenden Strom (i1) proportional ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (39) des Strom-Spannungswandlers (30) einer Filterschaltung (40) sugeführt wird, in der die Mittelwertbildung für das Signal (39) vorgenommen wird.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Zusatzwicklung (2) induzierte Spannung (ust) über zwei vorzugsweise elektronische Schalter (11, 12), welche durch ein Signal (19) entsprechend der Anstiegsrichtung des Stromes (ip) gesteuert werden, einem Komparator (13) mit einstellbarer Schwelle zugeführt wird, so daß die Polarität der Spannung (ust) am Komparatoreingang etets die gleiche ist, und daß das Ausgangssignal (134) des Komparators (13) mit einer Flanke, die die Zeitpunkte des Erreichens der Kernsättigung ergibt, eine Speicherstufe (14), vorzugsweise ein J-K-Flipflop, in den komplementären Zustand schaltet, deren Ausgangssignal (19) die Schalter (11, 12) und die Anstiegsrichtung des Stromes (i ) steurt (Fig. 2).
5. # # 5. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung zur Begrensung des Arbeitsbereiches der Stromquellenschaltung (30) und zur Sicherung des Einschwingens nach Inbetriebnahme vorgesehen ist, indem das dem Strom (ip) proportionale Signal (39) mittels zweier Komparatoren (15, 16) mit einstellbaren Signalwerten (Up max' Up min), die den Arbeitsbereich der Stromquellenschaltung festlegen verglichen wird und indem bei Über- bzw. Unterschreitung dieser Werte (Up max, Up min) das J-E-Flipflop (14) über seine Setzeingänge (141 bzw. 142) in den komplementären Zustand geschaltet wird und damit die Richtung des Stromanstiegs in der Stromquellenschaltung (20) umgekehrt wird (Fig. 2).
6. 6. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sicherung des Einschwingens der Stromquellenschaltung eine Oszillatorschaltung vorgesehen ist, die das Flipflop (14) umschaltet, wenn eine der längsten Anstiegszeit des Stromes (ip) entsprechende Zeit vergangen ist, ohne daß der Komparator (13) ein Ausgangssignal abgegeben hat.
7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 zur Erzeugung eines linear mit der Zeit ansteigenden bsw. abfallenden Stromes (ip), dessen Steigungsrichtung durch ein Signal (19) umsteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingang einer Integrationsschaltung (22) über einen durch das Signal (19) steuerbaren Umschalter (21) zwei entgegengesetzt gleiche Spannungen (+ U ) alternativ eingegeben werden und daß die Ausgangsspannung des Integrators (22) auf den nichtinvertierenden Eingang eines Spannungs-Strom-Wandlers (23) mit hinreichender Ausgangsleistung gelangt, wobei eine dem Ausgangsstrom (ip) des Verstärkers (23) proportionale Spannung (39) auf den invertierenden Eingang des Verstärkers (23) zurückgeführt ist (Fig. 3).
8. 8. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4 zur Mittelwertbildung des von dem Strom-Spannungs-Wander (30) erzeugten Signals (39), dadurch gekennzeichnet, daß das vom Komparator (13) abgegebene Signal (134) eine monostabile kippstufe (41) triggert, deren Ausgangssignal, durch eine bistabile Kippstufe (42) und zwei Tore (43, 44) umgesteuert, abwechselnd zwei elektronische Schalter (45, 46) schließt, welche eine Probe des Signals (39) in einen von zwei Kondensatoren (47, 48) einspeisen, und daß durch eine Summierschaltung (49) mit hochohmigem Eingang die Summe (Um) der Kondensatorspannungen gebildet wird, welche dem doppelten Mittelwert des Signals (39) entspricht.

   L e e r s e i t e