DE2333514A1

DE2333514A1 - Anordnung zur erzeugung einer angenaehert dreieckfoermigen durchflutung zur aussteuerung magnetischer kreise

Info

Publication number: DE2333514A1
Application number: DE19732333514
Authority: DE
Inventors: Georg-Peter Dipl Ing Schernus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-07-02
Filing date: 1973-07-02
Publication date: 1975-01-23

Description

Dipl.-Ing. Georg-Peter Schernus

3300 Braunschweig

Wichernstraße 53 oooorrt

Anordnung zur Erzeugung einer angenähert dreieckförmigen Durchflutung zur Aussteuerung magnetischer Kreise

Die Erfindung betrifft die Anordnung zur Erzeugung einer angenähert dreieckförmigen Durchflutung zur Aussteuerung magnetischer Kreise, die ferromagnetisches Material als Kernmaterial verwenden und bei denen eine mit der Flußdichte im Kern verknüpfte Ausgangsgröße gewonnen wird.

Jede Messung beruht bekanntlich auf dem Vergleich der Meßgröße mit einer Vergleichsgröße. Neben Gleichspannungen und Gleichströmen können auch Wechselspannungen bzw. -ströme mit genau definierter Amplitude und Kurvenform als Vergleichsgröße dienen. Der Sonderfall, daß diese Vergleichsgröße einen zeitlich dreieckförmigen Verlauf und damit linearen Anstieg und Abfall hat, erlangte in der elektronischen Meßtechnik eine besondere Bedeutung.

Die Wirkungsweise von Meßverfahren, die mit einer dreieckförmigen Vergleichgsgröße arbeiten, läßt sich in allgemeiner Form folgendermaßen beschreiben ( Figur 1 ): Die Meßgröße wird mit Hilfe einer Vergleicherschaltung mit dem Dreiecksignal in der Weise verglichen, daß im Augenblick, da das Dreiecksignal die Meßgröße überschreitet, ein positiver Impuls und bei anschließendem Unterschreiten ein negativer Impuls geliefert wird. Die Amplitude des Dreiecksignals muß dabei größer als die Amplitude der Meßgröße sein. Die von der Vergleicherschaltung gelieferten Impulse sind in ihrer zeitlichen Lage von der Amplitude der Meßgröße linear abhängig.

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Auf diese Weise läßt sich die Messung entweder zum Zwecke einer Digitalisierung auf eine Zeitmessung zurückführen oder es wird das Entstehen gradzahliger Oberwellen ausgenutzt. Folgende praktischen Anwendungsfälle für die Verwendung einer dreieekförmigen Vergleichsgröße sind bekannt:

a) Bei den in [1] und [2J näher beschriebenen Meßanordnungen wird zum Zwecke der digitalen Gleichstrommessung ein Ringkern über eine Steuerwicklung durch einen dreieekförmigen Wechselstrom bis in Sättigung gesteuert. Eine zweite Wicklung führt den zu messenden Strom. Entsprechend dem resultierenden magnetischen Wechselfluß wird in der Steuerwicklung oder in einer besonderen Induktionswicklung eine Wechselspannung mit ausgeprägten Extremwerten induziert. Die Lage dieser Extremwerte zueinander ist von der Größe und Richtung des zu messenden Gleichstroms abhängig und wird nach einer zweckmäßigen Signalumformung von einem Zeitintervallzähler gemessen.

b) Das oben für die GIeichstrommessung beschriebene Meßprinzip wird auch zur digitalen Messung magnetischer Felder verwendet f3j mit dem Unterschied, daß die Gleichstrommeßwicklung fortgelassen und der Ringkern durch einen dünnen Stabkern mit einem höheren Entmagnetisierungsfaktor ersetzt wird.

c) Die Oberwellenverfahren zur Gleichstrommessung weisen einen prinzipiell gleichen Aufbau des magnetischen Kreises auf wie die beschriebenen digitalen Strommeßverfahren. Während die dem Gesamtfluß im Kern entsprechende induzierte Spannung bei einem Gleichstrom Null frei von gradzahligen Oberwellen ist, läßt sich für den Fall eines endlichen Gleichstroms aufgrund der oben beschriebenen Extremwertverschiebung aus der induzierten Spannung eine zweite Oberwelle ausfiltern, deren Amplitude dann ein Maß für den zumessenden Strom ist (_~Ό ·

d) Auch das Oberwellenverfahren wird bei entsprechender Abwandlung des magnetischen Kreises zur Magnetf eldir.essung benutzt /_ 5 J

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Da der Dreieckstrom als Vergleichsgröße dient, wird die Meßunsicherheit durch die Stabilität von Amplitude, Kurvenform und Frequenz bestimmt. Insbesondere bei direkt anzeigenden Meßverfahren, wozu die genannten digitalen Verfahren gehören, muß zudem eine möglichst gute Linearität gefordert werden.

Bei der Verwendung eines Dreieckgenerators mit Stromausgang zur Erzeugung eines eingeprägten dreieckförmigen Stromes in einer Spule mit ferromagnetisohem Kern ergibt sich ein hoher apparativer Aufwand. Zudem können durch unkontrollierte Rückkopplungen schwer zu beherrschende Schwingungen das Meßergebnis verfälschen.

Üblicherweise wird deshalb ein eingeprägter dreieckförmiger Strom durch eine Spule mit ferromagnetischem Kern mit Hilfe eines Spannungsgenerators dadurch erzeugt, daß der Spule ein chmscher Widerstand vorgeschaltet wird, der sehr viel größer als der Blindwiderstand der Spule ist. Diese Methode hat folgende Nachteile: Infolge des hohen Spannungsabfalles am Vorwiderstand muß der Dreieckgenerator eine Spannung mit hoher Amplitude liefern, wozu kostspielige, für hohe Spannungen ausgelegte lineare Verstärker erforderlich sind. Im Vorwiderstand entsteht zudem eine hohe Verlustleistung.

Die Erzeugung von Dreieckspannungen für Präzisionsmessungen beruht bekanntlich überwiegend auf zwei Methoden, der Anwendung eines Rechteckgenerators mit nachgeschaltetem Integrator und der Anwendung von einem Schwellwertschalter mit Integrator . Bei der Verwendung eines Rechteckgenerators mit Integrator kann zwar durch eine Quarzstabilisierung eine gute Frequenzkonstanz gewährleistet werden,jedoch müssen infolge der unvermeidbaren Verstärkerdrift aufwendige Maßnahmen ergriffen werden, um auftretende Meßfehler durch Übersteuerung des Integratorausganges klein zu halten. Bei der Erzeugung von Dreieckspannungen mittels Schwellwertschalter mit Integrator werden die Einflüsse durch Verstärkerdrift zwar ausgeschlossen und es

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läßt sich auch eine gute Linearität erreichen, jedoch wird durch eine Unsicherheit der Umschaltzeitpunkte des Schwellwertschalters ein statistisches Schwanken der Periodendauer verursacht, das insbesondere bei den Meßverfahren, die auf einer Zeitverschlüsselung des Meßwertes beruhen, Auflösung und untere Empfindlichkeitsgrenze beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung linearer Verstärker und Verluste verursachender Vorwiderstände eine in Amplitude, Kurvenform und Frequenz konstante angenähert dreieckförmige Durchflutung zur Aussteuerung magnetischer Kreise, die ferromagnetisches Material als Kernmaterial verwenden, zu erzeugen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Rechteckgenerator ,der eine Rechteckspannung konstanter Amplitude und Frequenz liefert, eine Reihenschaltung treibt, die aus der zur Aussteuerung des magnetischen Kreises dienenden Magnetisierungswicklung und einer mit dieser nicht verkoppelten Drossel ausreichend großer stromunabhängiger Induktivität gebildet wird.

In einer zweiten Ausbildung der Erfindung liefert der Rechteckgenerator eine Rechteckspannung mit dem Tastverhältnis 1:1. Man erreicht nämlich dadurch bei vorgegebener Windungszahl der Magnetisierungswicklung und vorgegebener Amplitude und Frequenz der Rechteckspannung eine möglichst große Amplitude der angenähert dreieckförmigen Durchflutung bei minimaler Abweichung vom ideal dreieckförmigen Verlauf.

Um eine hohe Frequenzkonstanz des Rechteckgenerators zu gewährleisten, wird in einer dritten Ausbildung der Erfindung zur Erzeugung der Rechteckspannung in bekannter Weise ein quarzgesteuerter Generator verwendet, dessen Frequenz sehr viel höher liegt als die Folgefrequenz der angenähert dreieckförmigen Durchflutung und dessen Frequenz in bekannter Weise mit Hilfe von integrierten

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Digitalschaltkreisen auf die gewünschte Ausgangsfrequenz heruntergeteilt wird.

Ein kleiner Linearitätsfehler des Meßergebnisses setzt voraus, daß die Zeitkonstante des aus dem Rechteckgenerator,der Drossel und der Magnetisierungswicklung bestehenden Kreises für ansteigenden und abfallenden Strom gleich ist. Das erfordert insbesondere, daß der Rechteckgenerator für die positive und negative Halbperiode seine Ausgangsspannung den gleichen Innenwiderstand aufweist. Um einen solchen Innenwiderstand zu realisieren, enthält der Rechteckgenerator in einer vierten Ausbildung der Erfindung einen symmetrischen, aus komplementären Transistoren aufgebauten Emitterfolger als Schaltverstärker in der Endstufe.

Um eine stromunabhängige Induktivität der Drossel zu erhalten, wird in einer fünften Ausbildung der Erfindung eine Anordnung gewählt, bei der die Drossel aus einer Spule mit einem hochpermeablen geschlossenen ferromagnetischen Kern besteht, der mindestens einen Luftspalt enthält.

Um eine stromunabhängige Induktivität der Drossel zu erhalten, wird in einer sechsten Ausbildung der Erfindung eine Drossel verwendet, die aus einer Toroidspule ohne magnetisierbaren Kern besteht.

Besitzt die Reckspannung sehr steile Flanken, so kann infolge von Windungskapazitäten der Drossel der angenähert dreieckförmige Verlauf der Durchflutung durch überlagerte Spitzen gestört werden. Man wird deshalb bestrebt sein, die Wicklung der Drossel kapazitätsarm anzufertigen. In einer siebten Ausbildung der Erfindung besitzt deshalb die Drossel eine in mehrere Teilwicklungen unterteilte Wicklung.

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Bei direkter Reihenschaltung von Rechteckgenerator, Drossel und Magnetisierungswicklung kann durch Unsymmetrie der vom Rechteckgenerator gelieferten Rechteckspannung ein Gleichstromfehler verursacht werden. Zur Vermeidung eines Gleichstromfehlers wird in einer achten Ausbildung der Erfindung ein Kondensator, dessen Blindwiderstand sehr viel kleiner ist als der der Drossel, in die Reihenschaltung aus Rechteckgenerator, Drossel und Magnetisierungswicklung zusätzlich eingefügt.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen zum einen insbesondere darin, daß zur Aussteuerung der magnetischen Kreise keine aufwendigen, für hohe Spannungen ausgelegte lineare Verstärker notwendig sind, so daß Fehler durch Drift, Rauschen oder nichtlineare Verzerrungen nicht auftreten. Zum anderen lassen sich die benötigten Amplituden und frequenzkonstanten Rechteckspannungen auch mit großen Amplituden auf einfache und billige Weise erzeugen. Ferner ist die Verlustleistung durch die Vermeidung von Vorwiderständen sehr klein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Figur 2 und Figur 3 im folgenden näher beschrieben.

Figur 2 zeigt den Aufbau einer Anordnung zur Aussteuerung eines magnetisierbaren Kerns zum Zwecke der Gleichstrommessung [^1 Ein Rechteckgenerator 1 besteht aus einem Quarzgenerator 2 und einem Frequenzteiler 3. Die Frequenz des Quarzgenerators wird mit Hilfe des Frequenzteilers auf die gewünschte Ausgangsfrequenz heruntergeteilt, wobei die Frequenz des Quarzgenerators auch die Zählimpulse für die Auswerteschaltung 8 liefert. Die am Frequenzteilerausgang zur Verfügung stehende Rechteckspannung mit dem Tastverhältnis 1 : 1 treibt einen Strom I_v durch die Reihenschaltung eines zur Gleichstromentkopplung dienenden Kondensators C, einer kapazitätsarmen Drossel mit der stromunabhängigen Induktivität L und dem ohmschen Widerstand R_T und der auf dem Kern 4 angeordneten Wicklung 5. Die Wicklung 6 führt den zu messenden Strom I_m.

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. *7 —

Die zeitliche Verschiebung der in der Wicklung 7 induzierten Spannungsextremwerte sind ein Maß für die Größe und Richtung des zu messenden Stroms I .

Ist der Blindwiderstand der Drossel L sehr viel größer als der Blindwiderstand der zur Aussteuerung des Kerns dienenden Wicklung 5 und ferner sehr viel größer als der Blindwiderstand des Kondensators C, so wird der im Kreis fließende Strom nur durch die im Kreis befindlichen unvermeidbaren ohmschen Widerstände und durch die Induktivität der Drossel bestimmt. Infolgedessen wird in der Wicklung 5 eine durch aufsteigende und abfallende Äste einer Exponentialfunktion gebildete angenähert dreieckförmige Wechseldurchflutung Q erzeugt (Figur 3). Die zeitlichen Abstände der Schnittpunkte der durch den zu messenden Gleichstrom I verursachten Durchflutung Q mit der Wechseldurchflutung Q sind das Maß für den zu messenden Gleichstrom.

Für eine dreieckförmige Aussteuerung des Kerns ergeben sich für die Funktionen t. bzw. t_? = f (Θ ) lineare Abhängigkeiten. Auch für den Fall, daß die ansteigenden und abfallenden Äste von Θ vom linearen Verlauf abweichen, ergeben sich für die Funktionen t^ bzw. t₂ = f (Θ ) nahezu lineare Abhängigkeiten, da sich die Verschiebung der Schnittpunkte gegenüber ihrer Lage bei idealem Dreieckverlauf bei aufsteigendem und abfallendem Ast weitgehend kompensiert.

Eine mathematische Untersuchung für den durch Exponentialfunktionen angenäherten Durchflutungsverlauf liefert folgende Beziehung;

Ξϋ _β 1 + AL ar£anb Sfi? Xt}r 0_m έ

T 2 . Γ 0₉ ^τ

In dieser Gleichung bedeuten t^ bzw. t₂ die zeitlichen Abstände der Schnittpunkte von Gleichdurchflutung Θ und Wechseldurch-

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Claims

flutung O _v, T die Periodendauer der Wechseldurchflutung,

T die Zeitkonstante des gesamten Stromkreises, Θ die

g -^ Durchflutung, die der Asymptote von 0_y entspricht, und Θ-,

der Maximalwert der Wechseldurchflutung Θ .

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Erzeugung einer angenähert dreieckförmigen Durchflutung zur Ansteuerung magnetischer Kreise, die ferromagnetisches Material als Kernmaterial verwenden und bei denen eine mit der Flußdichte im Kern verknüpfte Ausgangsgröße gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechteckgenerator, der eine Rechteckspannung konstanter Amplitude und Frequenz liefert, eine Reihenschaltung treibt, die aus der zur Aussteuerung des magnetischen Kreises dienenden Magnetisierungswicklung und einer mit dieser nicht verkoppelten Drossel ausreichend großer stromunabhängiger Induktivität gebildet wird.

2. Anordnung zur Erzeugung einer angenähert dreieckförmigen Durchflutung nach Anspruch 1. , dadurch gekennzeichnet, daß der Rechteckgenerator eine Rechteckspannung mit dem Tastverhältnis 1:1 liefert.

3. Anordnung zur Erzeugung einer angenähert dreieckförmigen Durchflutung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Rechteckspannung in bekannter Weise ein quarzgesteuerter Generator verwendet wird, dessen Frequenz sehr viel höher liegt als die Folgefrequenz der angenähert dreieckförmigen Durchflutung und dessen Frequenz in bekannter Weise mit Hilfe von integrierten Digital-Schaltkreisen auf die gewünschte Ausgangsfrequenz heruntergeteilt wird.

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ι+. Anordnung zur Erzeugung einer angenähert dreieckförmigen Durchflutung nach Anspruch 1. , dadurch gekennzeichnet, daß der Rechteckgenerator einen symmetrischen, aus komplementären Transistoren aufgebauten Emitterfolger als Schaltverstärker in der Endstufe enthält.

5. Anordnung zur Erzeugung einer angenähert dreieckförmigen Durchflutung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel aus einer Spule mit einem hochpermeablen geschlossenen ferromagnetischen Kern besteht, der mindestens einen Luftspalt enthält.

6. Anordnung zur Erzeugung einer angenähert dreieckförmigen Durchflutung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel aus einer Toroidspule ohne magnetisierbaren Kern besteht.

7. Anordnung zur Erzeugung einer angenähert dreieckförmigen Durchflutung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel eine in mehrere Teilwicklungen unterteilte Wicklung besitzt.

8. Anordnung zur Erzeugung einer angenähert dreieckförmigen Durchflutung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator, dessen Blindwiderstand sehr viel kleiner ist als der der Drossel, in die Reihenschaltung aus Rechteckgenerator, Drossel und Magnetisierungswicklung zusätzlich eingefügt wird.