DE3741028C2 - Anordnung zum Messen eines einen Leiter durchfliessenden Stromes mittels Magnetfeldkompensation - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen eines elektrischen Stromes gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Anordnung dieser Art ist in ihrem grundsätzlichen Aufbau beispielsweise aus der US-Patentschrift US 3.573.616 A bekannt. Darin ist jedoch keinerlei Hinweis darauf gegeben, wie ein optimales Verhältnis zwischen der maximal zulässigen Stromstärke des zu messenden Stromes und der Größe der Messanordnung erzielt werden kann, insbesondere unter Berücksichtigung der die Messgenauigkeit beeinträchtigenden Störungen infolge gegenseitiger Beeinflussung einzelner Schaltungsteile.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine relativ kompakte und in ihrer Messgenauigkeit wesentlich verbesserte Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen.

Dies wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Massnahmen erreicht. Die Patentansprüche 2 und 3 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Anordnung.

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Messanordnung hervor, die anhand der beigefügten Zeichnung veranschaulicht ist. Es zeigen

Fig. 1 das Prinzip-Schaltbild einer Messvorrichtung der erfindungsgemässen Art,

Fig. 1A, teilweise im Schnitt, den schematischen Aufbau des magnetischen Kreises, einer Vorrichtung gemäss Fig. 1,

Fig. 2 eine erste Seite einer gedruckten Schaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung, auf welcher nur einzelne Teile der Metallisierung dargestellt sind, und

Fig. 3 die gegenüberliegende Seite der gedruckten Schaltungsplatte von Fig. 2, auf der ebenfalls nur Teile der gesamten Metallisierung dargestellt sind.

Gemäss dem Schaltschema von Fig. 1 ist ein Primärleiter 1 mit einem in Fig. 1 nicht dargestellten magnetischen Kreis gekoppelt, in welchem er ein magnetisches Feld H₁ erzeugt. Dieser magnetische Kreis 22, der in Fig. 1A gezeigt ist, wird von einem Paket 22 übereinanderliegend angeordneter C-förmiger Bleche aus magnetisch permeablem Material gebildet und zwar derart, dass der Primärleiter 1 im wesentlichen im Zentrum desselben durchgeführt werden kann. Selbstverständlich kann der Primärleiter jedoch auch mehrere, mit dem magnetischen Kreis gekoppelte Windungen aufweisen, und der magnetische Kreis eine andere Form als die gezeigte haben. Der magnetische Kreis ist ferner mit einer Mess-Spule 2 gekoppelt, der im Betrieb ein Mess-Strom zugeführt wird, welcher im magnetischen Kreis ein Feld H₂ entgegengesetzter Richtung zu der des Feldes H₁ erzeugt. Der magnetische Kreis (22) weist ferner einen Luftspalt 23 auf, in dem eine magnetische Feldmessvorrichtung 3, vorzugsweise eine Hall-Effekt-Sonde, angeordnet ist, deren Ausgangssignal Eingangsklemmen 14, 15 einer Steuervorrichtung zugeführt wird. Diese Steuervorrichtung weist insbesondere einen Verstärker 4 und eine Mess-Strom-Erzeugungsschaltung 5 auf, die durch zwei in Serie zwischen dem positiven Pol 8 und dem negativen Pol 9 einer Stromquelle in Serie geschaltete Transistoren 6, 7 dargestellt ist. Der Ausgang des Verstärkers 4 ist mit den Steuerelektroden der Transistoren 6, 7 verbunden, während die Emitterelektroden dieser Transistoren gemeinsam an eine erste Klemme E der Mess-Spule 2 angeschlossen sind. Die zweite Klemme M dieser Spule ist über eine Strommessvorrichtung 10 und/oder einen Messwiderstand 11 von geringem Widerstand mit der durch die Klemme O dargestellten Masse der Vorrichtung verbunden.

Wenn der Primärleiter 1 von Strom durchflossen wird, spricht die Hall-Effekt-Sonde auf die Differenz zwischen den Magnetfeldern H₁ und H₂ an und liefert ein Steuersignal, welches zur Steuerung des Mess-Stroms in der Spule 2 dient, um die genannte Differenz auf Null zu bringen. Der zwischen den Klemmen M und O gemessene Strom stellt daher eine zeitliche Abbildung des Primärstromes dar.

Der Ausdruck Messen wird in der vorliegenden Beschreibung allgemein als Umwandeln des Primärstroms in eine Messgrösse verstanden, die die Stromstärke dieses Primärstroms, insbesondere deren Augenblickswert, beschreibt, während das Erzeugen einer Abbildung die verschiedenen möglichen Arten der Anzeige oder Erzeugung eines Abbildes der Stromänderungen in Abhängigkeit von der Zeit umfasst.

Die vorliegende Vorrichtung weist eine gedruckte Schaltungsplatte 12 auf, die in den Fig. 2 und 3 von ihren beiden Seiten her gesehen gezeigt ist. Diese Schaltungsplatte besitzt eine zentrale Oeffnung 13, durch welche der Primärleiter 1 durchgeführt werden kann. Die Metallisierungen auf den beiden Seiten der Schaltungsplatte sind in den Fig. 2 und 3 nur teilweise dargestellt, und ferner wurden die auf der Platte montierten Schaltelemente und andere mit der gedruckten Schaltung verbundene Schaltungsteile, nämlich die Mess-Spule 2, die mit den Klemmen 8 und 9 verbundene Stromquelle und die Mess- bzw. Abbildungsvorrichtung, die an die Klemme M angeschlossen ist, nicht dargestellt.

Die in Fig. 2 dargestellte Seite der gedruckten Schaltungsplatte zeigt insbesondere die Anordnung der Klemme E der Mess-Spule 2 und die Anordnung der Eingangsklemmen 14, 15 des Verstärkers 4. Es hat sich gezeigt, dass die vorliegende räumliche Trennung dieser Klemmen, wonach die Klemme E und die damit verbundenen, auf demselben Potential liegenden Anschlussteile erheblich von den Eingangsklemmen des Verstärkers 4 entfernt sind, eine weitgehende Verminderung von Störungen in der Steuervorrichtung bewirkt, insbesondere im Bereich hoher Frequenzen.

Eine weitere erfindungsgemässe Ausbildung der gedruckten Schaltung der Vorrichtung, welche zu einer wesentlichen Verbesserung der Mess-Genauigkeit führt und eine kompakte Ausführungsform erlaubt, ist ebenfalls in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Sie besteht darin, dass die Oeffnung 13 auf mindestens einer Seite der gedruckten Schaltungsplatte, vorzugsweise jedoch auf beiden Seiten derselben, von metallisierten Teilen umgeben ist, und zwar fast auf der ganzen Länge ihres Umfangs. Diese metallisierten Teile umfassen im wesentlichen die mit der Klemme 9 der Stromquelle verbundenen Teile, die demnach auf konstantem Potential liegen. Diese Metallisierungen, die keine vollkommen geschlossene Schleife um die Oeffnung 13 herum bilden, ergeben eine wirksame Abschirmung gegenüber der vom Primärleiter 1 ausgehenden elektro-magnetischen Strahlung. Dies vermeidet insbesondere Störungen durch den Strom im Primärleiter 1, insbesondere beim Auftreten von starken Änderungen der Stromstärke in diesem Leiter.

Ein weiteres Merkmal der gedruckten Schaltungsplatte der vorliegenden Vorrichtung geht ebenfalls aus den Fig. 2 und 3 hervor und betrifft die metallisierten Verbindungsteile der gedruckten Schaltung. Diese Metallisierungen weisen Bereiche auf, die in der Ebene der Schaltungsplatte erheblich überdimensioniert sind im Vergleich zu den für die elektrische Leitung notwendigen Abmessungen. Die gezeigte Anordnung ergibt eine wesentliche Verbesserung der Wärmeabgabe von der Schaltungsplatte 12. Die erwähnten erweiterten Verbindungsbereiche sind insbesondere die Bereiche 16-21 der Fig. 2 und 3. Die gezeigte Ausbildung der gedruckten Schaltung liefert einen weiteren Beitrag zur Verbesserung der Eigenschaften der vorliegenden Vorrichtung und erlaubt ferner, die Abmessungen derselben auf ein im wesentlichen durch die äusseren Abmessungen des magnetischen Kreises bestimmtes Minimum zu reduzieren.

Claims (3)

1. Anordnung zum Messen eines einen Leiter durchfliessenden, elektrischen Stromes mittels Magnetfeldkompensation und zum Erzeugen einer Abbildung dieses Stromes, mit mindestens einem magnetischen Kreis (22), der mit dem den zu messenden Strom führenden Primärleiter (1) koppelbar ist und mit mindestens einer Messspule (2) gekoppelt ist, und der mindestens einen Luftspalt (23) aufweist, in dem eine magnetische Feldmessvorrichtung (3) angeordnet ist, mit einer Stromquelle (8, 9) und einer damit verbundenen Steuervorrichtung (4, 5), deren Eingangsklemmen (14, 15) mit der magnetischen Feldmessvorrichtung (3) verbunden sind, mit einer Strommess- und Strom- Abbildungsvorrichtung (10, 11), die in Serie zur Messspule (2) geschaltet ist, wobei die Ausgangsklemmen der Steuervorrichtung an diese Serienschaltung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung eine gedruckte Schaltung (12) aufweist, an die die Messspule (2), die magnetische Feldmessvorrichtung (3), die Strommess- und Strom-Abbildungsvorrichtung (10, 11) und die Stromquelle angeschlossen sind, und die so ausgebildet ist, dass eine erste Klemme (E) der genannten Ausgangsklemmen der Steuervorrichtung (4, 5), welche mit der Messspule (2) verbunden ist, sowie diejenigen Teile (19) der gedruckten Schaltung, die direkt mit dieser Ausgangsklemme (E) verbunden und daher auf gleichem Potential wie diese sind, an Stellen der Schaltungsplatte der gedruckten Schaltung angeordnet sind, die möglichst weit entfernt von denjenigen Stellen sind, an denen die Eingangsklemmen (14, 15) der Steuervorrichtung liegen.

2. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsplatte der gedruckten Schaltung (12) eine Öffnung (13) zur Aufnahme des Primärleiters (1) aufweist, welche auf mindestens einer Seite der Schaltungsplatte auf dem grössten Teil ihres Umfangs, aber nicht auf ihrem gesamten Umfang, von auf konstantem Potential liegenden Leitungsteilen umgeben ist.

3. Anordnung nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsplatte der gedruckten Schaltung metallisierte Bereiche (16-21) aufweist, die im Vergleich zu den für die elektrische Leitung notwendigen Abmessungen überdimensioniert sind, um die Wärmeableitung von der Schaltungsplatte zu verbessern.