DE10204425A1 - Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip - Google Patents
Stromsensor nach dem KompensationsprinzipInfo
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Abstract
Stromsensor mit einem Primärleiter, einer Kompensationswicklung, einer Magnetfeldsonde, einem Kern zur magnetischen Kopplung von Primärleiter, Kompensationswicklung und Magnetfeldsonde, einer zwischen Magnetfeldsonde und Kompensationswicklung geschalteten Kompensationsschaltung und einer Strommessschaltung zur Bestimmung des Kompensationsstromes in der Kompensationswicklung als Maß für den in dem Primärleiter fließenden, zu messenden Strom, wobei eine Testsignalquelle in den Stromkreis zwischen Magnetfeldsonde und Kompensationswicklung ein Testsignal einspeist, das eine Kompensationsstromänderung hervorruft.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip mit einem Primärleiter, durch den ein zu messender Strom fließt; mit einer Kompensationswicklung, die mit einem Kompensationsstrom gespeist wird; mit einer Magnetfeldsonde zur Messung eines von Primärleiter und Kompensationswicklung erzeugten resultierenden Magnetfeldes; mit einem Kern zur magnetischen Kopplung von Primärleiter, Kompensationswicklung und Magnetfeldsonde; mit einer Kompensationsschaltung, die eingangsseitig mit der Magnetfeldsonde und ausgangsseitig mit der Kompensationswicklung den Kompensationsstrom erzeugend verschaltet ist; und mit einer Strommessschaltung zur Bestimmung des Kompensationsstromes als Maß für den in den Primärleiter fließenden, zu messenden Strom.
- Derartige Stromsensoren sind in einer Vielzahl von Ausgestaltungen im Stand der Technik beschrieben.
- So ist beispielsweise aus der EP-A-0 742 440 ein Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip bekannt, bei dem mittels eines mit einer Magnetfeldsonde verbundenen Treibers in die Primärwicklung eines Ringkerns ein zu messender Strom eingespeist wird. Der Treiber regelt den Kompensationsstrom derart, dass das Magnetfeld im Ringkern vollständig bis auf einen verschwindend kleinen Wert ausgeregelt wird. Der Kompensationsstrom ist dann ein Maß für den in der Primärwicklung fließenden Strom. Kompensationsstromwandler führen demnach in der Kompensationswicklung einen Strom, der zum zu messenden Strom im Primärleiter (Primärwicklung) proportional ist. Die Stromstärke des Sekundärstroms wird üblicherweise mit einem Bürdenwiderstand in ein Spannungssignal umgewandelt und ist proportional zum zu messenden Strom.
- Eine andere Ausführungsform eines Stromsensors ist aus der DE 196 42 472 A bekannt. Bei dieser Bauart wird die Endstufe für den Kompensationsstrom über eine getaktete Endstufe angesteuert. Die Steuergröße für die Endstufe wird über ein frequenzmoduliertes Signal mit konstanter Pulslänge angesteuert.
- Eine Ansteuerung der Endstufe mit einem Pulsweitenmodulationsverfahren ist auch aus der DE 197 05 767 C2 bekannt. Durch die Pulsweitenmodulation ergeben sich Vorteile hinsichtlich des Leistungsbedarfs.
- Problematisch ist jedoch bei den vorstehend genannten Stromsensoren, dass diese insbesondere im Betrieb nicht ohne weiteres auf ihre Funktionsfähigkeit hin überprüft werden können. Zwar ist in der DE 198 44 726 A1 ein Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip beschrieben, der mit einer Einrichtung zur Erkennung von Sensorfehlern (z. B. Latch-up) ausgestattet ist, dieser erkennt allerdings nur einige wenige unzulässige Betriebszustände, so dass eine generelle Aussage über die Funktionsfähigkeit des Stromsensors nicht gemacht werden kann.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Stromsensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass seine Funktionsfähigkeit umfassend geprüft werden kann.
- Die Aufgabe wird durch einen Stromsensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
- Vorteil der Erfindung ist es, dass die Funktionsfähigkeit zu beliebigen Zeitpunkten, auch während des Betriebs, und ohne irgendwelche Eingriffe in den Stromsensor vorgenommen werden können.
- Erzielt wird dies bei einem Stromsensor der eingangs genannten Art dadurch, dass eine Testsignalquelle zur Einspeisung eines Testsignals in den Stromkreis zwischen Magnetfeldsonde und Kompensationswicklung vorgesehen ist, wobei das Testsignal eine Kompensationsstromänderung hervorruft, die entsprechend ausgewertet werden kann.
- Das Testsignal kann dabei am Ausgang der Kompensationssschaltung oder am Eingang der Kompensationsschaltung oder in die Kompensationsschaltung selbst eingespeist werden. Der Vorteil ist dabei, dass kein mechanischer Eingriff in den Übertrager mit Kern, Primärleiter, Kompensationswicklung und Magnetfeldsonde notwendig ist.
- Die durch das Testsignal hervorgerufene Kompensationsänderung wird bevorzugt entweder durch die Strommessschaltung oder als Spannung am Ausgang der Kompensationsschaltung ausgewertet. Der Aufwand zur Auswertung der Kompensationsstromänderung ist hierbei sehr gering.
- Bei der Auswertung wird bevorzugt die durch das Testsignal hervorgerufene Kompensationsänderung mit einem vorgegebenen Erwartungswert verglichen und ein Fehlersignal erzeugt, wenn die Kompensationsstromänderung von diesem zu erwartenden Wert abweicht. Die Strommessschaltung weist bevorzugt einen ohmschen Messwiderstand auf, der in Reihe zur Kompensationswicklung geschaltet ist. Damit ist mit geringstem Aufwand eine Messung des Kompensationsstromes möglich.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit ausgangsseitiger Einspeisung des Testsignals,
- Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit eingangsseitiger Teststromeinspeisung und
- Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromsensors mit Einspeisung des Teststroms in die Kompensationsschaltung.
- Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf einen geschlitzten Ringkern 1 eine Kompensationsspule 2 aufgewickelt, wobei durch den Ringkern 1 ein Primärleiter 3 geführt ist. Der Primärleiter 3 führt dabei einen zu messenden Strom In. In eine Ausnehmung des Ringkerns 1 in Höhe des Schlitzes ist ein Magnetfeldsensor 4 angeordnet, der beispielsweise aus einem Hall-Element oder wie im vorliegenden Fall durch eine Sondenwicklung gegeben ist. Dem Magnetfeldsensor 4 ist eine Auswerteschaltung 5 nachgeschaltet, der wiederum ein Treiberverstärker 6 folgt. Der Treiberverstärker 6 dient zur Ansteuerung der Kompensationswicklung 2 unter Zwischenschaltung eines Bürdenwiderstandes 7. Eine über dem Bürdenwiderstand 7 abfallende Spannung Uout ist ein Maß des durch die Kompensationswicklung 2 fließenden Stromes, nämlich des Kompensationsstromes Iko und damit des durch den Primärleiter 3 fließenden, zu messenden Stromes Iin.
- Die Funktionsweise des gezeigten Stromsensors beruht darauf, dass der durch den Primärleiter 3 fließende Strom Iin im Kern 1 ein Magnetfeld induziert, das von dem Magnetfeldsensor 4 erfasst wird. Die Auswerteschaltung 5 wertet dabei die vom Magnetfeldsensor 4 erhaltenen Informationen aus und erzeugt davon abhängig unter Zwischenschaltung des Treiberverstärkers 6 den Kompensationsstrom Iko. Der Kompensationsstrom Iko wird dabei so eingestellt, dass das Magnetfeld im Kern 1 auf ungefähr null ausgeregelt wird. Zwar ist der Kompensationsstrom Iko kleiner als der im Primärleiter 3 fließende, zu messende Strom Iin, jedoch wird aufgrund der deutlich höheren Wicklungszahl der Kompensationswicklung 2 gegenüber dem Primärleiter 3 der betragsmäßig gleiche Magnetfluss erreicht. Im eingeregelten Zustand ist daher der Kompensationsstrom Iko proportional zum zu messenden Strom lin. Der Kompensationsstrom Iko erzeugt über dem Bürdenwiderstand 7 die Spannung Uout, die ihrerseits ein Maß für den zu messenden Strom Iin ist.
- Zum Testen wird beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ein Teststrom It zusätzlich zum Kompensationsstrom Iko in die Kompensationswicklung 2 eingespeist. Zur Auswertung der durch den Teststrom It bewirkten Kompensationsstromänderung kann die Spannung über dem Bürdenwiderstand 7, nämlich die Ausgangsspannung Uout, oder die Spannung am Ausgang des Treiberverstärkers 6 herangezogen werden. Die durch den Teststrom It bewirkte Änderung des Stromes durch die Kompensationswicklung 2 bedingt dabei eine bestimmte Spannungsänderung bei der Ausgangsspannung Uout bzw. der Fehlerspannung Uc am Ausgang des Treiberverstärkers 6. Tritt diese Änderung nicht oder nicht im gewünschten Maße ein, so ist davon auszugehen, dass der Stromsensor fehlerhaft arbeitet. Da der Kompensationsstrom Iko als über die Magnetfeldsonde 4 geregelte Stromquelle unabhängig vom Teststrom It bleibt, kann beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 die Ausgangsspannung Uout ohne Zusatzmaßnahmen die Ausgangsspannung Uout in Abhängigkeit vom zu messenden Strom Iin weiterverarbeitet werden. Am Ausgang des Treiberverstärkers 6 kann dann die Spannung Uc als Testspannung abgegriffen werden. Alternativ wäre es auch möglich, an Stelle des Teststroms It eine Testspannung Ut einzuspeisen und dafür einen entsprechenden Strom Ic am Ausgang des Treiberverstärkers 6 abzunehmen.
- Im vorliegenden Fall ergibt sich die Spannung Uc aus dem Produkt aus dem Gesamtstromes von Teststrom It und Kompensationsstrom Iko und der Summe der Widerstände von Bürdenwiderstand 7 und Kompensationswicklung 2. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird der Teststrom It durch eine Konstantstromquelle 8 bereitgestellt.
- Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dahingehend abgeändert, dass die Teststromquelle 8 den Teststrom It nicht am Ausgang des Treiberverstärkers 6 sondern am Eingang der Auswerteschaltung 5 einspeist. In diesem Fall kann dann die Reaktion des Kompensationsstroms Iko auf den Teststrom It ausgewertet werden und daraus entsprechend ein Fehlersignal erzeugt werden. Dabei erzeugt der Teststrom It in der Sondenwicklung 4 ein zusätzliches Magnetfeld, so dass der Kompensationsstrom Iko auf dieses zusätzliche Magnetfeld reagiert. Der Kompensationsstrom Iko setzt sich in diesem Falle aus einem Anteil zusammen, der vom zu messenden Strom Iin herrührt, und einem Anteil, der vom Teststrom It herrührt.
- Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dahingehend abgeändert, dass kein Teststrom It sondern eine Testspannung Ut eingespeist wird. Die Testspannung Ut wird dabei in den Eingang des Treiberverstärkers 6 eingespeist. Der Kompensationsstrom Iko setzt sich dabei wiederum aus zwei Teilströmen zusammen, von denen der eine Teilstrom vom zu messenden Strom In abhängt und der andere Teilstrom von der Testspannung Ut herrührt. Die Testspannung Ut wird durch eine Testspannungsquelle 9 bereitgestellt.
- An Stelle der Testspannung Ut kann bei entsprechender Ausbildung der Auswerteschaltung 2 und des Treiberverstärkers 3 auch ein Teststrom It eingespeist werden. Bei einer digitalen Ausbildung der Auswerteschaltung 5 bzw. des Treiberverstärkers 6 ist es auch möglich, das Testsignal als bestimmten Zahlenwert hinzuzuaddieren. Darüber hinaus bestehen zahlreiche weitere Möglichkeiten, ein entsprechendes Testsignal innerhalb von Auswerteschaltungen 5 und/oder Treiberverstärker 6 zu erzeugen.
- Schließlich sei noch darauf hingewiesen, dass Auswerteschaltung 5 und/oder Treiberverstärker 6 bei sämtlichen Ausführungsbeispielen nach beliebigen Funktionsprinzipien arbeiten können, d. h. sowohl analoge als auch digitale Ausgestaltungen, kontinuierliche und oder gepulste, insbesondere pulsweitenmodulierte Ausführungen möglich sind. Als Magnetfeldsonden kommen dabei sowohl Sondenwicklungen als auch Hall-Sensoren in Betracht. Bezugszeichenliste 1 Kern
2 Kompensationswicklung
3 Primärleiter
4 Magnetfeldsensor
5 Auswerteschaltung
6 Treiberverstärker
7 Bürdenwiderstand
8 Teststromquelle
9 Testspannungsquelle
Iin Zu messender Strom
Iko Kompensationsstrom
Uout Ausgangsspannung
It Teststrom
Ut Testspannung
Uc Fehlerspannung
Claims (9)
1. Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip mit
mindestens einem Primärleiter (3), durch den ein zu
messender Strom (Iin) fließt,
mindestens einer Kompensationswicklung (2), die mit einem Kompensationsstrom (Iko) gespeist wird,
einer Magnetfeldsonde (4) zur Messung eines von Primärleiter (3) und Kompensationswicklung (2) erzeugten resultierenden Magnetfeldfeldes,
einem Kern (1) zur magnetischen Kopplung von Primärleiter (3), Kompensationswicklung (2) und Magnetfeldsonde (4),
einer Kompensationsschaltung (5, 6), die eingangsseitig mit der Magnetfeldsonde (4) und ausgangsseitig mit der Kompensationswicklung (2) den Kompensationsstrom (Iko) erzeugend verschaltet ist, und
einer Strommessschaltung (7) zur Bestimmung des Kompensationsstromes (Iko) als Maß für den in dem Primärleiter (3) fließenden, zu messenden Strom (Iin), gekennzeichnet, durch
eine Testsignalquelle (8, 9) zur Einspeisung eines Testsignals (It, Ut) in den Stromkreis zwischen Magnetfeldsonde (4) und Kompensationswicklung (2) derart, dass das Testsignal (It, Ut) eine Kompensationsstromänderung oder eine Änderung der Spannung am Ausgang der Kompensationsschaltung hervorruft.
mindestens einer Kompensationswicklung (2), die mit einem Kompensationsstrom (Iko) gespeist wird,
einer Magnetfeldsonde (4) zur Messung eines von Primärleiter (3) und Kompensationswicklung (2) erzeugten resultierenden Magnetfeldfeldes,
einem Kern (1) zur magnetischen Kopplung von Primärleiter (3), Kompensationswicklung (2) und Magnetfeldsonde (4),
einer Kompensationsschaltung (5, 6), die eingangsseitig mit der Magnetfeldsonde (4) und ausgangsseitig mit der Kompensationswicklung (2) den Kompensationsstrom (Iko) erzeugend verschaltet ist, und
einer Strommessschaltung (7) zur Bestimmung des Kompensationsstromes (Iko) als Maß für den in dem Primärleiter (3) fließenden, zu messenden Strom (Iin), gekennzeichnet, durch
eine Testsignalquelle (8, 9) zur Einspeisung eines Testsignals (It, Ut) in den Stromkreis zwischen Magnetfeldsonde (4) und Kompensationswicklung (2) derart, dass das Testsignal (It, Ut) eine Kompensationsstromänderung oder eine Änderung der Spannung am Ausgang der Kompensationsschaltung hervorruft.
2. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Testsignal (It, Ut) ein Teststrom (It) ist, der am
Ausgang der Kompensationsschaltung (5, 6) eingespeist wird.
3. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Testsignal (It, Ut) am Eingang der
Kompensationsschaltung (5, 6) eingespeist wird.
4. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Testsignal (It, Ut) in die Kompensationsschaltung
(5, 6) eingespeist wird.
5. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die durch das Testsignal (It, Ut)
hervorgerufene Kompensationsstromänderung durch die
Strommessschaltung (7) ausgewertet wird.
6. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die durch das Testsignal (It, Ut)
hervorgerufene Kompensationsstromänderung als Spannung am
Ausgang der Kompensationsschaltung (5, 6) ausgewertet wird.
7. Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehlersignal (Uc) erzeugt
wird, wenn die durch das Testsignal (It, Ut) hervorgerufene
Kompensationsstromänderung von einem zu erwartenden Wert
abweicht.
8. Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strommesschaltung einen
ohmschen Messwiderstand (7) aufweist, der in Reihe zur
Kompensationswicklung (2) geschaltet ist.
9. Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass als Magnetfeldsonde (4) eine
Sondenwicklung vorgesehen ist.
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