DE19844726B4

DE19844726B4 - Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip

Info

Publication number: DE19844726B4
Application number: DE1998144726
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl.-Ing. Lenhard
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1998-09-29
Filing date: 1998-09-29
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2018-09-30
Also published as: DE19844726A1

Abstract

Kompensationsstromsensor mit
einem Stromsensorkern (1), auf dem mindestens eine vom zu messenden Strom durchflossene Primärwicklung (4) und mindestens eine Kompensationsstromwicklung (40) aufgebracht sind,
mindestens einer Magnetfeldsonde (7) zur Erfassung des im Stromsensorkern (1) erzeugten Magnetfeldes, die mindestens eine Sondenwicklung (3, 3', 30) und mindestens einen Sondenkern (2, 2') aufweist,
einer Sondenschaltung (6) zur Auswertung des von der Magnetfeldsonde (7) gemessenen Magnetfeldes, die an einem Ausgang (41) ein sich periodisch änderndes, entsprechend der Stärke des Magnetfeldes pulsbreitenmoduliertes Signal erzeugt, und
einer der Sondenschaltung (6) nachgeschalteten Kompensationsstromschaltung (5), die einen Strom in die Kompensationsstromwicklung (40) einspeist und das Magnetfeld im Stromsensorkern (1) im geregelten Fall unterhalb der Übersteuerung der Magnetfeldsonde (7) auf einen Wert von ungefähr H = 0 regelt,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich bei Übersteuerung der Magnetfeldsonde (7) der Sondenkern (2, 2') unabhängig von einem in die Sondenwicklung (3, 3', 30) eingespeisten und sich periodisch...

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip mit einem Stromsensorkern umfassend mindestens eine Primärwicklung für den zu messenden Strom, mindestens eine Kompensationsstromwicklung, mindestens eine Magnetfeldsonde mit mindestens einer Sondenwicklung und mindestens einem Sondenkern, eine Sondenschaltung, zur Auswertung des von der Magnetfeldsonde gemessenen Magnetfeldes und eine Kompensationsstromschaltung, welche einen Strom in der Kompensationsstromwicklung erzeugt und das Magnetfeld an der Magnetfeldsonde auf einen Wert in der Nähe von H = 0 regelt.
Ein Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip ist aus der EP 0 294 590 A2 bekannt. Wird in eine Primärwicklung eines Ringkerns der zu messende Strom eingespeist, so wird mittels einer Sekundärwicklung das Magnetfeld im Ringkern auf B = 0 geregelt. Der Sekundärstrom ist dann ein Maß für den in der Primärwicklung fließenden Meßstrom. Zur Messung des Feldes im Magnetkern werden streifenförmige Magnetmaterialien mit rechteckiger Magnetisierungsschleife, wie beispielsweise VITROVAC 6025 (Fa. Vacuumschmelze GmbH), verwendet. Nachfolgend werden diese Magnetkerne zur Unterscheidung vom Ringkern des Stromsensors als Sondenkerne bezeichnet. Die Messung des Magnetfelds im Ringkern des Stromsensors erfolgt gemäß der EP 0 294 590 A2 nach dem Prinzip der wechselseitigen Sättigung des Sondenkerns. Die Ansteuerung des Sondenkerns erfolgt mittels einer rechteckförmigen Rechteckspannung mit fester Frequenz.
Ein Stromwandler, welcher ebenfalls nach dem Prinzip der Kompensationsstromwandlung arbeitet, ist aus der EP 0 742 440 A2 bekannt. Der angegebene Stromwandler arbeitet nach einem ähnlichem Prinzip wie der zuvor beschriebene Kompensationsstromsensor. Auch hier erfolgt die Ansteuerung des Sondenkerns mittels einer Oszillatorstufe, die ein Rechtecksignal erzeugt.
Bei diesem Stromwandler, welcher eine besondere Art der Stromverstärkung für die Sekundärwicklung mit sogenannter „schwimmender Bürde” aufweist, kann es beim Einschalten des Stromwandlers zu einem unkontrollierten Überschwinger der Reglerstufe für den Strom in der Kompensationswicklung kommen. Der Stromwandler geht dann in einen unkontrollierten (sogenannten „Latch up”-)Zustand. Dieser unkontrollierte Zustand wird gemäß der europäischen Patentanmeldung durch Überwachung der Symmetrie der positiven und negativen Versorgungsspannung und des Reglersummenpunktes in der Schaltung für die Magnetfeldsonde vermieden. Bei diesem Summenpunkt, welcher in Schaltungen mit fester Arbeitsfrequenz auftritt, handelt es sich um die Differenz zwischen dem nichtinvertierenden und invertierenden Eingang eines in der Sondenschaltung verwendeten Operationsverstärkers. Das Ergebnis dieser Überwachung wird zur Kontrolle des Ausgangs des Magnetsondenverstärkers oder des Verstärkers für die Kompensationswicklung genutzt.
Ein weiterer Kompensationsstromsensor ist aus der DE 196 42 472 A1 bekannt. Bei diesem Stromsensor wird die Endstufe, welche die Kompensationswicklung ansteuert, über eine getaktete Endstufe angesteuert. Die Steuergröße für die Endstufe wird von der Elektronik der Magnetfeldsonde (Sondenschaltung) erzeugt. Die Steuergröße kann abhängig vom Magnetfeld frequenzmoduliert mit konstanter Pulslänge sein. Wenn die Sondenschaltung ein bistabiles Element aufweist, so wird ein pulslängenabhängiges Signal bereitgestellt.
Ein induktiv arbeitender Stromsensor, welcher auch zur Messung von Gleichstromsignalen geeignet ist, ist beispielsweise aus der DE 42 29 948 A1 bekannt. Am Ausgang stellt der Strom sensor ein dem Strom proportionales Signal bereit. Der zu messende Primärstrom erzeugt einen magnetischen Fluß in einem Ringkern, welcher mit Hilfe einer Sekundärwicklung abgefragt werden kann. Hierzu erzeugt ein Generators eine periodische Spannung in der Sekundärwicklung, die zu einer periodischen Ummagnetisierung des Ringkerns führt. Der Generator arbeitet dabei mit einer fest vorgebenen Frequenz. Der Ringkern besteht aus einem Material mit weitgehend rechteckförmiger Magnetisierungskennlinie. Solche Kerne weisen eine Hysterese in der Magnetisierungskennlinie auf, die gemäß der funktionsweise des hier beschriebenen Stromsensors durch eine Mittelwertbildung bei der Messung des Sekundärstroms aus der Messgröße herausfällt. Aufgrund der Unabhängigkeit von der Hysterese des Kerns arbeiten diese Stromsensoren mit besonders hoher Genauigkeit. Die Mittelwertbildung erfolgt durch selektive Messung der Spannung an einem Widerstand im Sekundärkreis. Wird die Spannung abwechselnd -nach durchlaufen der positiven bzw. negativen Sättigung des Kerns- bestimmt und gemittelt, so heben sich die Beiträge des Kernmagnetisierungsstroms auf und es verbleibt ein der zu messenden Stromstärke proportionaler Betrag. Wird bei dieser Anordnung die Primärspule weggelassen, läßt sich mit der Anordnung auch die Stärke eines vom Ringern umfaßten Magnetfeldes messen. Wird zusätzlich noch der Ringkern durch einen Sondenmagnetkern ersetzt, so führt dies zum aus der EP 0 294 590 A2 bekannten Prinzip der Messung des Sondenmagnetfelds.
Ein Stromsensor, der ähnlich dem vorstehend dargestellten Prinzip ohne Magnetfeldsensor arbeitet, ist auch aus der internationalen Patentanmeldung WO 98/36283 A1 bekannt. Gegenüber dem vorstehend beschriebenen Stromsensor ist die Generatorschaltung selbstschwingend aufgebaut, woraus sich Vorteile hinsichtlich des schaltungstechnischen Aufwandes ergeben. Bei der selbstschwingenden Anordnung wird mittels invertierender Verstärker der Sekundärstrom bei Überschreitung eines bestimmten Maximalstroms (Schwellenwert) umgepolt. Die Fre quenz, mit der die Schaltung schwingt, ist somit abhängig vom magnetischen Fluß in der Magnetspule. Hierdurch entstehen im Sekundärkreis Strompulse, deren Breite proportional zum Primärstrom ist.
Es hat sich gezeigt, das die vorstehend beschriebenen Kompensationsstromsensoren immer noch zu aufwendig konstruiert sind. Insbesondere im Hinblick auf die industrielle Massenfertigung kommt dem schaltungstechnischen Aufwand eine besonders große Bedeutung zu.
Der in der DE 41 06 274 A1 gezeigte Kompensationsstromsensor weist einen Stromsensorkern, eine Primärwicklung, eine Kompensationswicklung, eine Magnetfeldsonde mit Sondenkern und Sondenwicklung, eine Sondenschaltung sowie eine Kompensationsstromschaltung auf. Die Sondenwicklung wird mit Wechselspannung versorgt. Dabei werden Unterschiede der Spannungszeitfläche der unterschiedlichen Halbwellen des Stromes durch die Sondenwicklung als Maß für das ermittelte Magnetfeld ausgewertet. Das bedeutet, dass ein sich periodisch änderndes, entsprechend der Stärke des Magnetfeldes pulsbreitenmoduliertes Signal erzeugt wird. Die DE 20 61 128 A zeigt einen Weg zur Erkennung der Sättigung eines Magnetkerns, allerdings nicht für einen Kompensationsstromsensor.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt die Aufgabe zugrunde, eine Übersteuerung der Magnetfeldsonde eines Kompensationsstromsensors zu erkennen. Eine Übersteuerung liegt vor, wenn der Sondenkern gesättigt ist, woraus sich das technische Problem ergibt, die Sättigung des Sondenkerns zu erkennen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kompensationsstromsensor zu schaffen, der im Zustand einer Übersteuerung besonders sicher ist.
Diese Aufgaben werden gelöst durch einen Kompensationsstromsensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Prinzip der Messung des Magnetfeldes nach dem Prinzip der wechselseitigen Sättigung des Sondenkerns, existiert eine maximale Feldstärke, oberhalb der das Ausgangssignal der Sondenschaltung kein dem Magnetfeld proportionales Ausgangssignal mehr liefert. Insbesondere kann es vorkommen, daß das Ausgangssignal um einen bestimmten Betrag kleiner ist, als der bei optimaler Arbeitsweise der Sondenschaltung zu erwartende Wert für das Ausgangssignal. Im praktischen Betrieb ist es bei derartig gestalteten Sondenschaltungen nicht möglich, zwischen sehr hohen Magnetfeldern und um einen bestimmten Betrag niedrigere Magnetfelder im regulären Meßbereich zu unterscheiden.
Vorzugsweise stellt sich die Frequenz des periodischen Stroms selbst ein, d. h. die Frequenz ist nicht durch einen Generator (Spannungs- oder Stromgenerator) fest vorgegeben.
Der Kompensationsstromsensor gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Kompensationsstromschaltung 5 auf, die in Abhängigkeit vom Signal der Sondenschaltung 6 den Kompensationsstrom steuert. Die Kompensationsstromschaltung kann mit einem linearen Verstärker realisiert werden, aber auch, wie beispielsweise in der EP 0 742 440 A2 beschrieben, mittels einer Gegentaktendstufe mit schwimmender Bürde. Die Kompensationsstromschaltung kann hierbei auch, pulsweitenmoduliert arbeiten, wodurch sich Vorteile hinsichtlich des Leistungsverbrauch der Schaltung ergeben.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung betrifft daher einen Kompensationsstromsensor, der im Strom kreis der Kompensationsstromwicklung 4 ein oder mehrere LC-Glieder aus Spulen und Kondensatoren aufweist. Hierdurch wird der Ausgang der Kompensationsstromschaltung besonders zweckmäßig bei niedrigen Frequenzen geglättet. Bei dem geschilderten Beispiel handelt es sich somit um einen Tiefpaß 2. Ordnung. Es ist auch möglich, das andere an sich bekannte Schaltungen, die als Tiefpaß wirken, zum Einsatz kommen. Beispiele sind Tiefpässe 1. Ordnung oder auch höherer Ordnung.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 9 näher erleutert.
Es zeigen
1 ein Ausführungsbeispiel mit bewickeltem Stromsensorkern 1, Primärwicklung 4, Sondenkernen 2, 2' und Sondenwicklungen 3, 3',
2 ein Ausführungsbeispiel für eine Beschaltung der Sekundärwicklung mit Kompensationsstromschaltung 5, Sondenschaltung 6 und Magnetfeldsonde 7,
3 ein Beispiel für eine Magnetisierungskennlinie eines Sondenkerns,
4 Zeitverläufe der frequenzmodulierten Ausgangsgröße der Sondenschaltung in Abhängigkeit vom zu messenden Magnetfeld,
5 ein Ausführungsbeispiel für eine Sondenschaltung mit Übersteuerungserkennung, welche im Vergleich zu 6 einen reduzierten Schaltungsaufwand aufweist,
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Sondenschaltung mit Ausgangssignal zur Erkennung einer Frequenzüberschreitung bei Übersteuerung am Ausgang OutII durch Einsatz von 4 D-Flipflops,
7 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung der wechselseitigen Sättigung des Sondenkerns 2,
8 ein Beispiel für einen Teil der Sondenschaltung zur Ansteuerung des Sondenkerns 2,
9 ein Diagramm mit Strom und Spannungsverläufen in der Sondenschaltung im Betrieb des Kompensationsstromsensors.
Der Kompensationsstromsensor gemäß der Erfindung ist schematisch in den 1 und 2 dargestellt. Der zu messende Strom fließt durch die Wicklung 4 und erzeugt im Stromsensorkern 1 eine Magnetisierung. Der Kern weist bevorzugt einen oder mehrere Lufspalte 16 auf, die zu einem Austritt des Feldes aus dem Bereich des ringförmigen Stromsensorkerns führen. Das H-Feld im Bereich des Spalts bzw. an anderen geeigneten Positionen läßt sich mit Magnetfeldsonden bestehend aus einem oder mehreren Sondenkernen 2, 2' und einer oder mehreren Sondenwicklungen 3, 3' bestimmen. Vorzugsweise weist der Kompensationsstromsensor genau eine Magnetfeldsonde aus einem Sondenkern mit einer Sondenwicklung auf. Das bestimmte Magnetfeld wird als Regelgröße für einen durch die Kompensationswicklung 40 fließenden Kompensationsstrom benutzt. Diese Anordung zeigt 2. Die Magnetfeldsonde 7 wird mit einer Sondenschaltung 6 verbunden, die ein zum Magnetfeld proportionales Spannungs- oder Stromsignal 41 zur Verfügung stellt. Dieses Signal wird der Kompensationsstromschaltung 5 zugeführt, welche für die Regelung des Kompensationsstroms in der Kompensationsstromwicklung 40 sorgt. Als Maß für den durch den Kompensationsstromsensor gemessenen Strom wird die Stromstärke in der Kompensationsstromwicklung herangezogen.
Anhand von 7 wird nachfolgend die prinzipielle Funktionsweise der Magnetfeldmessung mit wechselseitiger Sättigung des Sondenkerns 2, 2' erläutert. Das zu messende Magnetfeld wirkt beispielsweise auf den Sondenkern 2 ein. Die Sondenwicklung 30 ist mit dem Eingang und dem Ausgang eines invertierenden Verstärkers 50, welcher z. B. ein Schmitt-Trigger ist, angeschlossen. Zwischen einer Seite der Sondenwicklung und Masse ist ein Widerstand R_s geschaltet. Liegt der Ausgang U_a des invertierenden Verstärkers 50 zunächst auf einem hohen Potential, so fließt durch die Sondenwicklung 30 und den Widerstand R_s ein gemeinsamer Strom I_s. Der Ausgang U_a stellt gleichzeitig eine Ausgangsgröße dar, die zur Bestimmung des zu messenden Magnetfeldes herangezogen werden kann. Hierzu dient die Auswerteeinheit AE, welche eine Bestimmung der Pulsbreite von U_a vornimmt. Diese Pulsbreitenbestimmung kann durch Mittelwertbildung oder eine Zeitmessung erfolgen. Die Pulsbreite ist proportional zu messenden Magnetfeld.
Der Strom- und Spannungsverlauf im Betrieb des Kompensationsstromsensors wird mit Hilfe von 9 deutlich. Im linken Teil des Diagramms von 9 ist der Verlauf ohne ein Magnetfeld am Magnetfeldsensor gezeigt, im rechten Teil der Verlauf mit einem Magnetfeld. Die Spannung U 9 entspricht dem Verlauf der Spannung an U_a in den 7 und 8. Der Strom I 10 ist der durch die Sondenspule fließende Strom I_s. Wechselt U auf einen positiven Wert, so wird der Sondenkern 2 ummagnetisiert. Währendessen fließt ein Strom, welcher im wesentlichen durch die Impedanz der Sondenspule begrenzt wird. Geht nun der Kern bei anwachsendem Strom in die Sättigung, sinkt die Impedanz schnell ab und der Strom steigt rapide an. Ab einem von der Schaltung vorgebenen Grenzwert für den Strom schaltet der Differenzverstärker auf ein negatives Spannungspotential um. Dies führt zu einem Richtungswechsel des Stroms Is, so daß der Sondenkern im Anschluß in entgegengesetze Richtung die Magnetisierungskennlinie durchläuft. Durch das zu messende Magnetfeld wird die Magnetisierungskurve des Kerns auf der B(H)-Kurve je nach Vorzeichen auf der H- Achse nach links oder rechts verschoben. Der Strom- und Spannungsverlauf mit zusätzlichem Primärstrom ist im rechten Teil des Diagramms von 9 dargestellt. Je nach Betrag und Vorzeichen des zusätzlichen durch die Primärspule erzeugten H-Feldes wird der positive oder negative Sättigungsbereich schneller angesteuert. Entsprechend ändert sich das Pulsbreitenverhältnis der am Ausgang abgegriffenen Spannung U_a.
8 zeigt eine weitere Möglichkeit der wechselseitigen Erregung des Sondenkerns 2 mit einem Differenzverstärker 6 und zwei NAND-Gattern 7, 8. Mittels der Widerstände R_a und R_b läßt sich der Umschaltschwellwert für die Spannung U_s dimensionieren. Diese Anpassung kann notwendig sein, wenn Kernmaterialien mit unterschiedlichen Magnetisierungskennlinien eingesetzt werden.
Wird die Magnetfeldsonde gemäß den 7 und 8 übersteuert, so befindet sich das Feld H in einem Bereich, in dem der Kern im gesamten durchlaufenden H-Bereich in einem Sättigungszustand. Der invertierende Verstärker 5 schaltet in diesem Fall aufgrund der sehr niedrigen Impedanz der Sondenspule 2 sehr schnell zwischen zwei Spannungszuständen hin und her. Die Frequenz der in 9 dargestellten Spannungspulse steigt als Folge davon stark an. Dies ist in 4 für verschiedene Felder gezeigt. Im Fall von H » 0 wird die Breite der Spannungspulse wesentlich geringer. Der Kompensationsstromsensor befindet sich bei einer derartigen Übersteuerung in einem Latch-Zustand.
Das in 6 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel für eine Sondenschaltung mit Erkennung einer Frequenzüberschreitung bei Übersteuerung wurde durch Einsatz von 4 D-Flipflops realisiert. In der Sondenwicklung 3 fließt ein Strom mit wechselnder Polarität. Hierzu ist ein Ende der Sekundärwicklung 12 mit einem Ausgang Q1 eines D-Flipflops über den Widerstand R1 verbunden, das andere Ende 13 ist über den Widerstand R2 mit Q(Quer)1 verbunden. In der Schaltung sind zur Ansteuerung der Sondenwicklung zwei D-Flipflops parallel geschaltet. Hierzu sind die Eingänge D1 und D2 der beiden Flipflops miteinander verbunden. Zusätzlich ist Ausgang Q1 mit Q2 und Ausgang Q(quer)1 mit Q(quer)2 verbunden. Die Eingänge D1 und D2 sind über einen Kondensator C2 mit Masse verbunden. Die Abgriffe an der Sekundärspule werden auch einem logischen NAND-Gatter 11 der Bezeichnung 74HCT10 eingangsseitig zugeführt. Das eingesetzte NAND-Gatter besitzt drei Eingänge, von denen zwei mit der Spule verbunden sind. Der dritte Eingang ist über einen Widerstand R3 mit dem Ausgang des NAND-Gatters 11 verbunden. Weiterhin ist der dritte Eingang über einen Kondensator C1 mit Masse verbunden. Der Ausgang des NAND-Gatters ist auf die 3 Eingänge eines weiteren NAND-Gatters 14 gelegt, welches Baugleich mit dem ersten NAND-Gatter 10 ist. Der Ausgang des zweiten NAND-Gatters 14 wird an die Anode der Diode D1 angeschlossen. Die Kathode von D1 ist über einen Kondensator C3 mit Masse verbunden. Parallel zu C3 ist ein Widerstand R4 angeschlossen. Die Anode von D1 wird auf Anschluß CP der 4 D-Flipflops gelegt. Ein geeigneter Baustein mit 4 D-Flipflops ist beispielsweise unter der Bezeichnung „74AC175” erhältlich. Die Kathode von D1 ist über ein drittes NAND-Gatter 15 mit D0 eines dritten Flipflops gelegt. An diesem Flipflop wird an Ausgang Q(quer)0 das Ausgangssignal OutI zur Verfügung gestellt. Das vierte Flipflop des Bausteins 74AC175 ist stellt am Ausgang Q3 das Ausgangssignal OutII bereit. Der Eingang dieses Flipflops ist mit den Eingängen D1 und D2 verbunden. Ausgang Q(quer)3 des vierten Flipflops wird über Widerstand R5 an Eingang D3 zurückgeführt.
Bei jedem Taktimpuls wird die der Kondensator C3 über die Diode D1 aufgeladen und damit D0 auf ein hohes Potential gesetzt. Über R4 wird C3 wieder entladen und unterschreitet nach einer bestimmten Verzögerungszeit die Schwellenspannung am Eingang D0. Beim nächsten Taktimpuls wird dieser Wert übernommen. Wird nun bei Übersteuerung des Sensors die Frequenz der Pulse zu groß, ist die Schwellspannung noch nicht überschritten und Q(quer)0 wechselt auf ein niedriges Potential, welches am Ausgang OutI anliegt.
Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung für einen Stromsensor kommt mit 2 getrennten D-Flipflops 20, 21 aus.
Das erste Ende der Sondenwicklung 30 ist über Widerstand R1 mit dem Ausgang Q0 von Flipflop 20 verbunden, das zweite Ende ist über Widerstand R2 mit Q(Quer)0 von Flipflop 21 verbunden. In der Schaltung wird zur Ansteuerung der Sondenwicklung im Gegensatz zur Schaltung in 6 keine Parallelschaltung von zwei D-Flipflops durchgeführt. Eingang D0 des Flipflops 20 und Eingang D1 eines zweiten Flipflops 21 sind gemeinsam über einen Kondensator C3 mit Masse verbunden. Die beiden Ausgänge der Sondenwicklung werden einem NAND Gatter 17 mit drei Eingängen zugeführt. Einer der Eingänge des NAND-Gatters ist zusätzlich über einen Widerstand R3 mit dem Ausgang des NAND-Gatters 17 und über einen Kondensator C1 mit Masse verbunden. Der Ausgang des NAND-Gatters 17 ist auf die 3 Eingänge eines weiteren NAND-Gatters 18 gelegt. Der Ausgang des NAND-Gatters 18 ist an die Anode der Diode D1 angeschlossen. Die Kathode von D1 ist über einen Kondensator C2 mit Masse verbunden. Parallel zu C2 ist ein Widerstand R4 angeschlossen. Die Anode von D1 wird auf Anschluß CP des D-Flipflops 20 gelegt. Die Kathode von D1 ist über ein drittes NAND-Gatter 19 mit gebrückten drei Eingängen an Eingang CP des Flipflops 21 angeschlossen. Das Flipflop 21 stellt am Ausgang Q1 das Ausgangssignal Out_I bereit. Der Eingang D1 dieses Flipflops ist mit Eingang D0 des Flipflops 20 verbunden. Diese verbundenen Anschlüße sind über Kondensator C3 an Masse geführt. Ausgang Q(quer)0 von Flipflop 20 wird über Widerstand R5 an Eingang D1 des Flipflops 21 zurückgeführt. Die Bauelemente D1, C2 und R4 bilden gemeinsam mit dem nachgeschalteten Inverter 19 ein nachtriggerbaren Monoflop. Die Taktimpulse setzen das Monoflop. Fällt das Monoflop zurück, so wird das nachfolgend angeordnete D-Flipflop 21 getriggert. Sind die das Monoflop setzenden Taktimpulse zu hochfrequent, fällt das Monoflop nicht zurück und der Ausgang Q1 bleibt im Fall der Übersteuerung des Stromsensors auf dem letzten Wert stehen. Dieses Signal wird an Out_I abgreifbar.
Weitere, nichtgezeichnete Ausführungsbeispiele, werden nachfolgend beschrieben. Die erfindungsgemäße Stromsensorschaltung läßt sich mit einem Zeit-Zählerbauelement realisieren, in dem die Halbwellen des Ausgangssignals (QP, QN) abgetastet werden. Bei einer Unterschreitung einer bestimmten vorgegebenen Zeit für die Pulsbreite wird ein Signal für die Übersteuerung des Stromsensors an einen Ausgang abgegeben.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel arbeitet mit einer Auswerteschaltung, die ein Signal zur Erkennung einer Frequenzüberschreitung mit zwei logischen Haltebausteinen (Latch-Bausteine) zur Zeitmessung, in Abhängigkeit der Ladezeit der Kondensatoren C₁ und C₂, erzeugt. Einen Bestandteil dieser Schaltung können Latch-Bausteine der Bezeichnung „HC75”, die beispielsweise von der Fa. Philips unter der Bezeichnung 74HC75 lieferbar sind, sein. Die Ein- und Augänge der Latch-Bausteine sind miteinander über Eingang D2 und Ausgang Q verbunden. Das aus dem Schaltungsteil in 8 stammende Signal Q wird dem ersten Latch Baustein an Eingang LE (Latch Enable) zugeführt. Des weiteren ist der Eingang des ersten Latch-Bausteins mit einem RC-Glied beschaltet.
Durch die Verschaltung zweier Latch-Bausteine wird am Ende einer Halbwelle ein zeitverzögertes H-Potential abgefragt. Sofern ein zugehöriger Schwellwert bis dahin nicht überschritten ist, liegt eine zu kurze Pulsdauer vor. An einem Ausgang Out liegt beispielsweise in diesem Fall ein niedriges (low-)Potential an. Im regulären Betrieb liegt dann an Out ein positives (High-)Potential an. Somit wird durch den Ausgang Out ein Signal zur Verfügung gestellt, welches den Fall der Übersteuerung des Stromsensors anzeigt. Besonders vorteilhaft ist es bei dieser Ausführungsform, daß der Schaltungsteil zur Überwachung des Zustandes der Übersteuerung er kennt, welches Vorzeichen der die Übersteuerung hervorrufende Strom hatte.

Claims

Kompensationsstromsensor mit einem Stromsensorkern (1), auf dem mindestens eine vom zu messenden Strom durchflossene Primärwicklung (4) und mindestens eine Kompensationsstromwicklung (40) aufgebracht sind, mindestens einer Magnetfeldsonde (7) zur Erfassung des im Stromsensorkern (1) erzeugten Magnetfeldes, die mindestens eine Sondenwicklung (3, 3', 30) und mindestens einen Sondenkern (2, 2') aufweist, einer Sondenschaltung (6) zur Auswertung des von der Magnetfeldsonde (7) gemessenen Magnetfeldes, die an einem Ausgang (41) ein sich periodisch änderndes, entsprechend der Stärke des Magnetfeldes pulsbreitenmoduliertes Signal erzeugt, und einer der Sondenschaltung (6) nachgeschalteten Kompensationsstromschaltung (5), die einen Strom in die Kompensationsstromwicklung (40) einspeist und das Magnetfeld im Stromsensorkern (1) im geregelten Fall unterhalb der Übersteuerung der Magnetfeldsonde (7) auf einen Wert von ungefähr H = 0 regelt, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei Übersteuerung der Magnetfeldsonde (7) der Sondenkern (2, 2') unabhängig von einem in die Sondenwicklung (3, 3', 30) eingespeisten und sich periodisch ändernden Stroms der Sondenschaltung (6) in einem Sättigungszustand befindet, wodurch das pulsbreitenmodulierte Signal der Sondenschaltung (6) eine Frequenzerhöhung erfährt, und dass bei einer Frequenzerhöhung des pulsbreitenmodulierten Signals an dem Ausgang (41) der Sondenschaltung (6), welcher das pulsweitenmodulierte Signal bereitstellt, ein Signal erzeugt wird, welches dem Maximalwert des Messbereichs für das Magnetfeld entspricht.
Kompensationsstromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenschaltung (6) Schaltungselemente zum Erkennen der Frequenzerhöhung aufweist und bei Erkennen einer Frequenzerhöhung ein die Übersteuerung des Sondenkerns (2, 2') anzeigendes Signal (42) erzeugt.
Kompensationsstromsensor nach Anspruch 2, bei dem die Sondenschaltung (6) Schaltungselemente zum Erkennen des Vorzeichens eines die Übersteuerung hervorrufenden Stroms bei Übersteuerung der Magnetfeldsonde (7) aus dem pulsbreitenmodulierten Signal der Sondenschaltung (6) aufweist.
Kompensationsstromsensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkern (2, 2') eine im wesentlichen rechteckförmige Magnetisierungskennlinie (3, 21) aufweist.
Kompensationsstromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Stromänderung in der Sondenwicklung (3, 3', 30) durch einen Schaltungsteil in der Sondenschaltung (6) hervorgerufen wird, welcher mittels eines Schmitt-Triggers und mindestens einer nachfolgenden Inverterschaltung (50) eine treibende Wechselspannung erzeugt.
Kompensationsstromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bei Übersteuerung auftretende Frequenzerhöhung in der Sondenschaltung (6) mit einem Schaltungsteil abgefragt wird, welcher mindestens ein RC-Glied und mindestens einen Flipflop (5, 20, 21) aufweist.
Kompensationsstromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsstromschaltung ein Verstärker ist und mit dem pulsbreitenmodulierten Signal direkt angesteuert wird.