DE3940932C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Meßwandler gemäß dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Aus der DE 37 28 912 A1 ist ein derartiger Meßwandler bekannt, welcher zwei weichmagnetische Sensorkerne mit zwei Modulations­ wicklungen sowie zwei Detektionswicklungen enthält. An den beiden Detektionswicklungen treten jeweils Sekundärspannungen auf, welche gleich groß sind, wenn der Meßstrom null ist. Falls der Meßstrom größer als null ist, sind die beiden Sekundärspannungen in der Phase verschoben. Mit einem nachgeschalteten Integrator werden den Sekundärspannungen proportionale Ströme addiert und integriert, um so einen Mittelwert der magnetischen Induktion der beiden Sensorkerne zu erhalten. Hierbei soll der Zeitpunkt des Null-Durchgangs des Mittelwertes unabhängig vom Meßstrom sein. Mittels eines Komparators und eines Multivibrators wird ein Impuls zur Auslösung des Abtast- und Haltekreises abgeleitet. Somit wird aus den Sekundärspannungen der beiden Detektionswick­ lungen der Abtastimpuls gebildet und nicht die Amplituden der Sekundärspannungen abgetastet. Das am Eingang des Abtast- und Haltekreises anstehende Meßsignal wird nicht aus den Sekundär­ spannungen der Detektionswicklungen abgeleitet, sondern durch Differenzbildung von zwei den Primärströmen proportionalen Spannungen gewonnen, welche einem Differenzverstärker zugeführt werden. Die Abtastfrequenz ist gleich groß wie die Frequenz des Modulationsstromes. Der Aufwand für die Realisierung dieser Schaltung ist unter Berücksichtigung der zur Erzielung einer hohen Meßgüte erforderlichen Kompensationsmittel nicht uner­ heblich. Die genannten Verstärker erfordern ebenso wie der Komperator einen entsprechenden Aufwand, um vor allem Tempe­ ratureinflüsse und Nichtlinearitäten zu vermeiden. Ferner muß mit zusätzlichen Maßnahmen Sorge dafür getragen werden, daß Null­ punktsverschiebungen oder Amplitudenveränderungen aufgrund des Temperaturverhaltens sowie des Alterungsverhaltens der von den Strömen durchflossenen Widerstände möglichst ein Minimum bleiben.

Des weiteren sind in dem Buch von H. H. WEINKE: Einführung in die Elektrotechnik höherer Frequenzen, erster Band, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg/New York, 1965, Seiten 79 bis 81 Resonanz­ übertrager beschrieben. Die Ersatzschaltungen derartiger Über­ trager sind erläutert und die Dimensionierung bei vorgegebener Betriebsfrequenz sowie die Werte für den Ersatzwiderstand sind angegeben.

Ferner ist aus der EP 1 37 347 B1 ein Meßwandler mit Sensorwick­ lungen bekannt, welche in zwei identische Wicklungsteile unter­ teilt sind. Es ist ein Hilfsübertrager vorhanden, welcher von einer strombegrenzten Spannungsquelle gespeist wird und von einem Signalgenerator wird eine symmetrische Rechteck-Ausgangsspannung mit einer Frequenz von beispielsweise 1 MHz geliefert. Dieser Meßwandler enthält Analogschalter, welche von gegenphasigen Rechtecksignalen angesteuert werden, deren Frequenz doppelt so groß ist wie die des genannten Signalgenerators. Mittels eines gemeinsamen Taktgenerators kann die Synchronisation erfolgen. Die verschiedenen Verstärker und Bauelemente erfordern einen entspre­ chenden Schaltungsaufwand, wobei auch hier, insbesondere im Hinblick auf die erforderlichen Verstärker und Analogschalter, nachteilige Temperatureinflüsse und Nichtlinearitäten zu Fehlern führen können.

Ferner ist aus LUEGER, Lexikon der Technik, Band 4, Seite 304, deutsche Verlagsanstalt Stuttgart, 1962 ein Meßwandler bekannt, der zur Messung kleiner magnetischer Feldstärken dient und als FÖRSTER-Sonde bezeichnet wird. Er enthält zwei stabförmige, parallel zueinander angeordnete Sensorkerne aus einem Material hoher Permeabilität, auf welchen Modulationsspulen angeordnet sind. Diese Modulationsspulen werden von einem Modulations- Wechselstrom durchflossen und sind derart auf den Sensorkernen angeordnet, daß ein durch jene fließender Modulationsstrom bei den Sensorkernen eine einander entgegengerichtete Magnetisierung erzeugt. Ein zusätzliches äußeres Magnetfeld bewirkt in dem einen Sensorkern eine Verstärkung und in dem anderen eine Schwächung der Magnetisierung, wobei die Sättigungsmagnetisierung der beiden Sensorkerne nicht gleichzeitig erreicht wird. Auf den Sensor­ kernen ist eine Detektionswicklung angeordnet, mittels welcher die Summe der zeitlichen Flußänderungen in den beiden Sensor­ kernen erfaßt wird. Aufgrund der unterschiedlichen Magnetisierung der Sensorkerne entsteht eine Phasenverschiebung derart, daß die durch die Sensorkerne induzierte Sekundärspannung der Detek­ tionswicklung unsymmetrisch ist. Die resultierende Sekundär­ spannung beider Sensorkerne kann an der Detektionswicklung abgegriffen werden. Sie entspricht der Summe der zeitlichen Flußänderungen der Sensorkerne und ist damit ein Maß für das äußere Magnetfeld. Nach Verstärkung kann nach einem als Filter­ methode bezeichneten Verfahren durch Filterung und phasenrichtige Gleichrichtung der doppelten Modulationsfrequenz ein dem Magnet­ feld entsprechendes Signal erzeugt werden. Die phasenrichtige Gleichrichtung erfordert jedoch temperaturstabile und folglich aufwendige Filter. Des weiteren ergeben sich Grenzen hinsichtlich der maximalen Meßfrequenz, aufgrund der bei einem Bandpaß hoher Güte zu berücksichtigenden Einschwingzeit. Des weiteren führen fertigungsbedingte Abweichungen der Magnetisierungskennlinien beider Sensorkerne bei der Filtermethode zu einer nachteiligen Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit, zumal alle Abweichungen kon­ tinuierlich einwirken.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Meßwandler der genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß bei reduziertem Schaltungsaufwand die Abhängigkeit von äußeren Einflüssen sowie Ummagnetisierungsverluste verringert werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Meßwandler zeichnet sich durch einen einfachen und funktionssicheren Aufbau aus und ermöglicht zuverlässig die potentialgetrennte, gleichzeitige Messung von Gleich- und Wechselströmen. Der Meßwandler kann bevorzugt zur Messung kleiner Meßströme zum Einsatz gelangen, ermöglicht im wesentlichen rückwirkungsfrei die Strommessung in Stromkreisen auch mit geringer Impedanz und gelangt ganz allge­ mein zur Messung von Strömen elektrisch geladener Teilchen zum Einsatz. Mit einfachen elektronischen Komponenten kann der Meßwandler aufgebaut werden, wobei mit hoher Genauigkeit der Meßstrom in eine, insbesondere proportionale, elektrische Größe umgeformt wird und ferner eine hohe Meßdynamik erreicht wird. Durch die Ergänzung der Modulationswicklungen mit dem Modula­ tionsstromformer zu je einem nichtlinearen Parallel-Resonanzkreis wird einerseits der Leistungsbedarf zur Modulation reduziert und andererseits die Meßempfindlichkeit gesteigert. Ein Meßstrom­ leiter kann in einfacher Weise durch die beiden weichmagnetischen Sensorkerne mit den Modulationswicklungen hindurchgeführt werden. Ferner können die Sensorkerne auch nach Art eines Zangenstromum­ formers unterteilt werden, mit welchem ein vorhandener Meßstrom­ leiter umgriffen werden kann. Des weiteren kann eine Linearführung der Teile der Sensorkerne vorgesehen sein, um reproduzierbare Bedingungen zu gewährleisten. Die Sensorkerne werden im besonde­ ren aus einem amorphen Metall gefertigt, welches durch seine geringen Ummagnetisierungsverluste, kleine Magnetostriktion, hohe Permeabilität und reduzierte Barkhausensprünge ausgezeichnet ist. Der Werkstoff eignet sich in Bandform vorzugsweise dazu zu einem magnetisch geschlossenen Kern aufgewickelt zu werden, oder durch Stapeln von Formteilen Kerne oder Kernteile herzustellen, wodurch bei elektrischer Isolation der Lagen Wirbelstromverluste redu­ ziert werden. Zweckmäßigerweise werden die Wickel oder Stapel elektrisch isolierend vergossen, um eine Fixierung zu erzielen. Der Modulationsstrom bewirkt in den beiden den Meßstromleiter umgreifenden Sensorkernen eine entgegengerichtete Magnetisierung und von der Detektionswicklung der beiden Sensorkerne wird die Summe der zeitlichen Flußänderungen der umschlossenen Kerne als Signal erfaßt und an das Abtast-Halteglied weitergeleitet. Wesentlich ist, daß der Modulationsstrom symmetrisch ist und die Hysteresekurven der beiden Sensorkerne bis weit in die Sättigung durchläuft. Somit steht an der Detektionswicklung eine periodi­ sche Folge von Spannungsimpulsen an, deren von der Größe und Richtung des Meßstromes abhängige Amplitude von dem Abtast- Halteglied erfaßt wird.

Weiterbildungen und besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden ferner nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Bild 1 eine schematische Anordnung des Meßwandlers,

Bild 2 ein Blockschaltbild,

Bild 3 einen Signalflußplan.

Der im Bild 1 dargestellte Meßwandler für Gleich- und Wechsel­ ströme enthält zwei magnetisch geschlossene weichmagnetische Sen­ sorkerne S1, S2, welche hier der Einfachheit halber nur als gerade Linien angedeutet sind. Die Sensorkerne S1, S2 sind Ringkerne, durch welche der elektrische Leiter L für den zu messenden Strom I durchgeführt ist. Des weiteren können im Rahmen der Erfindung die Sensorkerne S1, S2 auch mehrteilig derart ausgebildet sein, daß sie ähnlich einer Zange geöffnet und über den Leiter L geschoben werden können, um nachfolgend wieder geschlossen zu werden. Um die Sensorkerne S1, S2 ist jeweils eine Modulationswicklung M1, M2 gewickelt, und zwar mit entgegesetztem Wicklungssinn, so daß ein durch diese Modulationswicklungen M1, M2 fließender Modulationsstrom eine entgegengerichtete Magne­ tisierung erzeugt. Des weiteren ist eine gemeinsame Detektionswicklung D zusammen über beide Sensorkerne S1 und S2 gewickelt. Schließlich ist beiden Sensorkernen S1, S2 eine gemeinsame Kompensationswicklung zugeordnet.

Anstelle des durch einen Leiter fließenden elektrischen Stromes können im Rahmen dieser Erfindung Ströme elektrisch geladener Teilchen gemessen werden, welche entsprechende Magnetflüsse bewirken.

Der Leiter L ist potentialfrei durch die Öffnung der mag­ netisch geschlossenen Sensorkerne S1, S2 geführt. Alternativ können die Kerne zangenartig ausgebildet werden, wobei die magnetischen Kreise trennbar sind und die erwähnten Wicklun­ gen entsprechend auf den verschiedenen Teilen der Sensorkerne angeordnet werden. Bei dieser besonderen Ausführungsform sind nach dem Schließen der Zange die magnetische Kreise der Sensorkerne wieder geschlossen. Des weiteren können die Detektionswicklung und die Kompensationswicklung in eine einzige Wicklung zusammengefaßt werden, wobei durch den Einsatz einer geeignet ausgebildeten Elektronik, einerseits das der Detektionswicklung entnehmbare Signal erfaßt und andererseits der Kompensationswicklung der erforderliche Strom zugeführt wird. Ferner kann der Leiter L auch in mehreren Windungen die beiden Sensorkerne umschlingen; ist der Leiter L nur einmal durch die Öffnung der Sensorkerne hindurchgeführt, so ist nur eine einzige "Windung" vorhanden.

Bild 2 zeigt ein Blockschaltbild des Meßwandlers, wobei mit den Ziffern 1 bis 7 die Signale angegeben sind, welche im Signalflußplan des Bildes 3 mit den gleichen Ziffern bezeich­ net sind. Die Modulationswicklungen M1, M2 werden von einem erfindungsgemäß symmetrischen Modulationsstrom derart durch­ flossen, daß die Durchflutungsrichtung der beiden Sensorkerne S1, S2 entgegengesetzt ist. Wesentlich ist, daß die Hystere­ sekurven der beiden Sensorkerne S1, S2 bis weit in die Sättigung durchlaufen werden. Den Modulationswicklungen M1, M2 ist ein Modulationstromformer 10 vorgeschaltet, welcher insbesondere nach einem nichtlinearen, parallelresonanten Modulationsverfahren arbeitet. Dieser Modulationsstromformer 10 erzeugt einen Modulationsstrom 3, dessen zeitlicher Verlauf dem Bild 3 zu entnehmen ist. Aufgrund dieses Modula­ tionsstromes 3 werden die Ummagnetisierungsverluste klein gehalten sowie die Sättigungstiefe und die Meßempfindlichkeit erhöht. In der Detektionswicklung D wird die Summe der zeitlichen Flußänderungen der beiden geschlossenen, magne­ tischen Kreise induziert. Bei einem von Null verschiedenen Meßstrom 4 ist die Summe der Flußänderungen eine mit dop­ pelter Modulationsfrequenz periodische Folge von Spannungs­ impulsen 5. Die Amplitude dieser Spannungsimpulse 5 ist in erster Näherung eine Abbildung des Meßstromes 4.

Der Modulationsstromformer wird von einem Leistungsfrequenz­ teiler 12 gespeist, welcher von einem Taktgenerator 14 angesteuert wird. Die Ausgangssignale 2 des Leistungsfre­ quenzteiles 12 weisen die halbe Frequenz der Signale 1 des Taktgenerators 14 auf. Der Taktgenerator 14 steuert ferner ein Abtast-Halteglied 18 über einen Abtast-Fensterbildner 16 an. Durch die gemeinsame Ansteuerung einerseits des Modula­ tionsstromformers 10 und andererseits des Abtast-Haltegliedes 18 werden in besonders zweckmäßiger Weise starre Phasen- und Frequenzverhältnisse zwischen den genannten Einheiten gewähr­ leistet. Der Leistungsfrequenzteiler 12 versorgt den Modula­ tionsstromformer 10 mit einer zeit- und amplitudensymmetri­ schen Rechteckspannung 2, deren Taktfrequenz halb so groß ist wie die der Taktsignale 1. Der Abtastfenster-Bildner 16 liefert zum Zeitpunkt des Modulationsstrom-Maximums einen Abtast-Impuls 6 an das Abtast-Halteglied 18, an dessen Ausgang ein vom Meßstrom 4 abhängiges Signal 7 ansteht. Für kleine Meßströme, deren Größenordnung von der Auslegung des Sensors abhängt (kleiner als 1 mA), ist ein im wesentlichen proportionaler Zusammenhang gegeben. Durch magnetische Alterung der Sensorkerne und/oder durch thermische Eigen­ schaftsänderungen kann der Proportionalitätsfaktor variieren.

Derartige nachteilige Eigenschaften werden in besonders zweckmäßiger Weise erfindungsgemäß mit einem Kompensations­ verfahren eliminiert. Das Signal 7 wird einem Regler 20 zuge­ führt, der einen Kompensationsstromgeber 22 beaufschlagt. Der nachgeschalteten Kompensationswicklung K wird somit vom Regler 20 und der gesteuerten Stromquelle 22 ein entsprechend der Windungszahl der Kompensationswicklung K untersetzter Strom eingeprägt, welcher ein Abbild des Meßstromes I ist. Der Kompensationsstromgeber wird in besonders zweckmäßiger Weise als gesteuerte Stromquelle hoher Ausgangsimpedanz ausgeführt, wodurch sich die Abschwächung des Detektionssig­ nals durch Belastung der Kompensationswicklung über die Gegeninduktivität vermeiden läßt. Wird die gesteuerte Strom­ quelle temperaturstabil, breitbandig und mit kleinem Null­ punktsfehler ausgeführt, so ist das Stellsignal (Y) des Reglers ebenfalls ein Abbild des Meßstromes I, wodurch ein Meßwiderstand im Kompensationskreis entfallen kann. Das Kompensationsverfahren wird mit einem geschlossenen Regel­ kreis realisiert und beseitigt Nichtlinearitäten des Meß­ wandlers und ergibt eine hohe Meßdynamik.

Im Vergleich mit der eingangs erwähnten phasenrichtigen Gleichrichtung weist der erfindungsgemäße Meßwandler einen erheblich reduzierten elektronischen Aufwand auf, zumal temperaturstabile und aufwendige Filter entbehrlich sind. Desweiteren ist von besonderer Bedeutung, daß die maximal übertragbare Frequenz des Meßstromes bei gleicher Modula­ tionsfrequenz nicht unwesentlich höher ist, denn die Totzeit des zum Einsatz gelangenden Abtast-Haltegliedes ist deutlich kleiner als die Einschwingzeit eines Bandpasses hoher Güte. Da mit dem Abtast-Halteglied die Unterschiede der Magnetisie­ rungskennlinien nur zum Abtastzeitpunkt erfaßt werden, führen fertigungsbedingte Abweichungen in den Magnetisierungskenn­ linien der Sensorkerne zu einer erheblich geringeren Beein­ trächtigung der Meßgenauigkeit als bei der Filtermethode, bei welcher alle Abweichungen kontinuierlich einwirken.

Bezugszeichenliste

D Detektionswicklung
K Kompensationswicklung
L Meßstromwicklung
M1, M2 Modulationswicklung
S1, S2 Sensorkern
10 Modulationsstromformer
12 Leistungsfrequenzteiler
14 Taktgenerator
16 Abtastfensterbildner
18 Abtasthalteglied
20 Regler
22 Kompensationsstromgeber
Y Stellgröße des Reglers
G Leitwert der gesteuerten Stromquelle

Claims (8)

1. Meßwandler mit zwei weichmagnetischen Sensorkernen (S1, S2), welchen eine Detektionswicklung (D) zugeordnet ist und auf welche ein magnetisches Feld einwirkt, mit Modulationswicklungen (M1), M2), welche den Sensorkernen (S1, S2) derart zugeordnet sind, daß ein durch sie fließender, periodischer, symmetrischer Modula­ tionsstrom (3) die Hysteresekurven der Sensorkerne (S1, S2) bis weit in die Sättigung durchläuft, wodurch sich in den Sensor­ kernen (S1, S2) entgegengerichtete Magnetisierungen ergeben und an der Detektionswicklung (D) eine Folge von Spannungsimpulsen (5) ansteht, deren Amplitude von einem Magnetfeld eines Stromes abhängig ist, und mit einem Abtast-Halteglied (18), dessen Ausgangssignal (7) dem Strom entspricht, wobei eine mit dem Modulationsstrom synchrone Abtastung erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Spannungsimpulse (5) der über beide Sensorkerne (S1, S2) gewickelten Detektions­ wicklung (D) mittels des Abtast-Haltegliedes (18) erfaßt und ge­ speichert wird,
daß den Modulationswicklungen (M1, M2) ein Modulationsstromformer (10) vorgeschaltet ist, durch welchen die Modulationswicklungen (M1, M2) zu je einem nichtlinearen Parallel-Resonanzkreis ergänzt sind,
und daß der Modulationsstromformer (10) und das Abtast-Halteglied (18) durch einen gemeinsamen Taktgenerator (14) angesteuert werden.

2. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Taktgenerator (14) und dem Modulationsstromformer (10) ein Leistungs-Frequenzteiler (12) geschaltet ist, dessen Signale die halbe Frequenz wie die Frequenz der Taktsignale des Taktgenerators (14) aufweisen.

3. Meßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorkerne (S1, S2) aus amorphem Metall bestehen.

4. Meßwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorkerne (S1, S2) oder Teile derselben als ein aufgewickeltes Band oder als geschichtete Formteile ausgebildet sind.

5. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Signal (7) des Abtast-Haltegliedes (18) einem Regler (20) zugeführt wird, dessen Stellgröße eine Stromquelle (22) hoher Ausgangsimpedanz steuert, deren Ausgangsstrom im Sinne eines geschlossenen Regelkreises die Detektionswicklung (D) zur Kompensation derart beaufschlagt, daß die in den Sensorkernen (S1, S2) durch den Meßstrom bedingte Magnetisierung aufgehoben wird und der Wandler als Nullflußdetektor arbeitet.

6. Meßwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Stromquelle (22) einer separaten, über beide Sensor­ kerne (S1, S2) geführten Kompensationswicklung (K) zugeführt wird und daß das Verhältnis von Meßstrom zum Kompensationsstrom frei vorgebbar ist.

7. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensorkerne (S1, S2) jeweils in wenigstens zwei Kernteile derart unterteilt sind, daß sie voneinander getrennt und wieder miteinander zur Schließung des magnetischen Kreises verbindbar sind, wobei die Modulationswicklungen (M1, M2), die Detektionswicklung (D) und gegebenenfalls die Kompensationswick­ lung (K) sinngemäß auf die einzelnen Kernteile verteilt sind, so daß ohne Auftrennen eines elektrischen Leiters die Sensorkerne (S1, S2) um den elektrischen Leiter gelegt werden können.

8. Meßwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernteile der Sensorkerne (S1, S2) derart auf einer Linearführung mit nur einem Freiheitsgrad angeordnet sind, daß ihre Bewegungs­ richtung parallel zur Flächennormalen der Trennebene verläuft, welche auch die Magnetisierungsvektoren schneidet.