DE3318270C1 - Strommesssensor zur Funktionskontrolle elektrischer Verbraucher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strommeßsensor zur Funktionskontrolle elektrischer Verbraucher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist ein gattungsgemäßer Strommeßsensor bekannt (DE-OS 23 14 800), welcher derart ausgebildet ist, daß ein kurzes, an den Enden einen Stecker und eine Flachbuchse aufweisendes Leitungsstück durch den Ringkern des Sensors geführt und mit dem Ringkern und der auf diesem angeordneten Wicklung so mit einem isolierenden Material vergossen ist, daß nur noch der Stecker und die Flachbuchse frei zugänglich sind. Zur Überwachung des Verbraucherstromkreises wird dann die zum Verbraucher führende Leitung aufgetrennt und der Strommeßsensor mit seinem kurzen Leitungsstück zwischengeschaltet.

Zwar wird sich dieser Strommeßsensor gegenüber weiters bekannten Zangenstromwandlern, bei welchen zum Messen des Stromes der Verbraucherstromleiter nicht aufgetrennt werden muß, durch geringere Abmessungen, geringere Verluste, einen größeren Arbeitstemperaturbereich und eine höhere Empfindlichkeit auszeichnen, er weist jedoch einerseits aufgrund des erforderlichen Leitungsstückes mit seinen Stecker- und Flachbuchsen-Anschlußteilen erhöhte Herstellkosten auf und andererseits ist nachteilig, daß ein Auftrennen des Verbraucherstromleiters erforderlich ist. Aufgrund der verwendeten Steckkontakte resultiert desweiteren eine geringere Zuverlässigkeit der Anordnung.

Es ist ferner ein Meßwertgeber zur Erfassung von Meßwerten innerhalb der elektrischen Anlage eines Kraftfahrzeuges, insbesondere der Zündanlage, bekannt (DE-AS 19 36 171), welcher einen von einer Wicklung umgebenen Ringkern aufweist und wobei zum Schutz gegen äußere Einflüsse eine den Meßwertgeber umgebende Kunststoffumhüllung vorgesehen ist. Der Meßwertgeber wird hierbei bei der Montage der elektrischen Anlage auf einem Teil oder einer Leitung von dem zu erfassenden Bauteil der elektrischen Anlage angebracht und verbleibt dann fest installiert innerhalb der elektrischen Anlage.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Strommeßsensor so weiterzubilden, daß zum einen durch niedrigere Herstellkosten ein wirtschaftlicher Einsatz und eine serienmäßige industrielle Nutzbarmachung möglich wird und zum anderen eine funktionssichere, einfache und unkomplizierte Anbringung desselben auf einem Verbraucherstromleiter ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Dadurch, daß der Ringkern an seinen Enden als offener Ring ausgebildet ist und aus einer magnetostriktionsfreien amorphen Legierung mit hohem Kobaltgehalt besteht und die Wicklung und der Ringkern mit einem elastischen Isoliermaterial vergossen sind, ist dieser flexibel und elastisch und kann ohne Beeinträchtigung seiner magnetischen Eigenschaften und ohne bleibende Verformung aufgeweitet und 'clipsartig über einen Stromleiter gestreift werden. Normale Legierungen, auch die beim gattungsgemäßen Strommeßsensor verwendete Mu-Metall-Legierung, würden beim Aufweiten zum einen aufgrund ihrer Magnetostriktion ihre hohe Permeabilität verlieren und in Folge auch der Sensor seine Eigenschaften geringe Verluste und hohe Empfindlichkeit, zum anderen würden sich diese Legierungen bleibend verformen. Desweiteren kann durch den erfindungsgemäß ausgebildeten Ringkern der Sensor in seinen Abmessungen extrem klein gehalten werden, gleichwohl aber eine hohe Empfindlichkeit erzielt werden, obwohl theoretisch die erzielbare Empfindlichkeit mit den Abmessungen und der Windungszahl der Spule zunimmt.

Zur weiteren Senkung der Herstellkosten und Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der industriellen Serienfertigung, können nach den Merkmalen des Anspruches 2 sowohl die amorphe Legierung als auch die Wicklung als Metallfilm auf das Flachband aufgebracht werden,

z. B. nach der sogenannten Dickfilmtechnik.

Der Strommeßsensor läßt sich also in idealer Weise zur Kontrolle von gewöhnlichen elektrischen Verbrauchern, wie Lampen Glühkerzen, Heizleitern, Motoren usw. einsetzen, nur bedingt jedoch für elektronische Verbraucher, da das Prinzip nicht rückwirkungsfrei ist und somit kleine Impulse in den Verbraucherstromleiter eingeschleift werden können.

Der erfaßbare Frequenzbereich reicht hierbei von Gleichstrom bis zu ca. 100 kHz.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und schaltungstechnische Anwendungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
F i g. la bis Ic den Strommeßsensor,

Fig.2 eine erste Schaltungsanordnung für den Strommeßsensor,

F i g. 3 eine zweite Schaltungsanordnung für den Strommeßsensor,
Flg.4 eine dritte Schaltungsanordnung für den Strommeßsensor,

Fig.5 eine vierte Schaltungsanordnung für den Strommeßsensor,

F i g. 6 und 7 logische Verknüpfungen von Strommeßsensoren.

Der in Fig. la dargestellte Ringkern 1 besteht aus einer hohe Permeabilität und niedrige Koerzitivfeldstärke und Hystereseverluste aufweisenden magnetostriktionsfreien amorphen Legierung mit hohem Ko-

baltgehalt und ist als einlagiges dünnes isoliertes Flachband 2 ausgebildet. Der Ringkern 1 ist als offener Ring so gestaltet, daß sich die Enden 2' und 2" des Flachbandes 2 überlappen, um zu gewährleisten, daß der Magnetfluß geschlossen bleibt. Wie F i g. Ib zeigt, erstreckt sich quer zur Längsrichtung (Umfangsrichtung) und über die Länge des Flachbandes 2 eine Wicklung 3 mit zwei Wicklungsanschlüssen 3' und 3" und wie desweiteren Fig. Ic zeigt, ist die gesamte Einheit mit einem elastischen und isolierenden Material 4 vergossen, jedoch so, daß die Enden 2' und 2" sich weiterhin nur überlappen und der Ringkern aufgeweitet werden kann, so daß er über einen Verbraucherstromleiter 5 geclipst werden kann. Die beiden Wicklungsanschlüsse 3' und 3" sind mit einer Zuleitung 6 verbunden, welche als verdrillte Zweidrahtleitung zur Elektronik führend mehrere Meter lang sein kann.

Während gemäß Fig. la das Flachband 2 selbst aus der amorphen Legierung besteht, kann diese Legierung aber auch als Metallfilm auf das Flachband aufgebracht sein, zum Beispiel als aufgedampfter oder gesputterter amorpher Metallfilm. Ebenso kann die Wicklung in bei der gedruckten Schaltungstechnik bekannter Weise auf das Flachband aufgebracht sein.

Die Fig.2 bis 5 zeigen nun praktische, schaltungstechnische Anwendungsmöglichkeiten und Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Strommeßsensors 7, welcher — wie in F i g. Ic dargestellt — zur Funktionskontrolle eines elektrischen Verbrauchers dessen Verbraucherstromleiter 5 umschließt.

Gemäß F i g. 2 liegt der Strommeßsensor 7 in Reihe mit einem Widerstand 8 und wird mit einem eingesprägten Strom niedriger Frequenz — z. B. zur Messung von Gleichströmen mit einer Steuerfrequenz von 1 Hz, wodurch Stromverbrauch und Störeinflüsse des Sensors gering gehalten werden — von einem Oszillator 9 gespeist und in die Sättigung gesteuert. Fließt nun durch den vom Strommeßsensor 7 umschlossenen Verbraucherstromleiter 5 ein Strom, so erzeugt dieser ein externes Zusatzfeld, welches eine vorzeitige Sättigung des Ringkernes bewirkt Infolge davon ergibt sich eine Amplitudenasymmetrie der Spannung Ua an der Sensor-Widerstand-Kombination, welche Asymmetrie dann als Maß für die Größe des zu messenden Stromes am Verbraucher herangezogen wird. Fließt in dem Verbraucherstromleiter aufgrund beispielsweise eines Glühfadenbruches in der Lampe kein Strom mehr, so sind die Amplituden der Spannung Ua symmetrisch, die Asymmetrie also gleich Null, was dann von der nachgeschalteten Elektronik als »Störfall« angezeigt wird.

Da hohe Werte von dB/dt (B = Induktion) nur durch sehr hohe Frequenzen zu erzielen sind, die mit einem Dreiecksgenerator (Oszillator 9) nach Fig.2 nur schwer zu erzeugen sind, wird zur Steigerung der Empfindlichkeit bei gleicher Spulendimensionierung des Sensors eine Schaltung nach Fig.3 vorgeschlagen. Hierbei liegt der Strommeßsensor 7 in Reihe zwischen einer Kapazität 10 und einem an Masse liegenden Widerstand 8 und wird von einem Oszillator 11 mit einer eingeprägten Rechteckspannung U gespeist und in die Sättigung gesteuert. Die Serienschaltung vom Sensor 7 mit seiner Induktivität (L) und dem Widerstand 8 (R) wirkt hierbei als Integrationsglied, so daß nach jeder Umschaltflanke des Rechteckgenerators 11 der Sensorstrom erst langsam mit der Zeitkonstante L/R ansteigt, wobei die Induktivität L und damit auch die Zeitkonstante L/R von der augenblicklichen Magnetisierung im Ringkern des Sensors abhängen. Fließt nun durch den vom Strommeßsensor 7 umschlossenen Verbraucherstromleiter 5 ein Strom, so erzeugt dieser wiederum ein externes Zusatzfeld, so daß der Ringkern des Sensors vorzeitig in die Sättigung gerät und die Induktivität L des Sensors 7 zusammenbricht. Dies äußert sich in einem sprunghaften Anstieg des Sensorstromes, wobei man durch die differenzierende Wirkung des Kondensators 10 einen Stromimpuls erhält, welcher — über den diesem proportionalen Spannungsabfall am Widerstand

ίο 8 gemessen — eine Amplitudenasymmetrie der Spannung Ua bewirkt, welche Asymmetrie dann als Maß für die Größe des zu messenden Stromes am Verbraucher herangezogen wird.
F i g. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei welcher der Strommeßsensor 7 als magnetisch gesteuerte Induktivität in eine Oszillatorschaltung 12 eingebaut ist. Fließt hierbei durch den vom Strommeßsensor 7 umschlossenen Verbraucherstromleiter 5 ein Strom, so erzeugt dieser wiederum ein externes Zusatzfeld, wodurch sich die Induktivität und somit auch die Frequenz des Relaxationsoszillators 12 ändert. Die Frequenz ist also über den Magnetfluß direkt vom im Verbraucher fließenden Strom abhängig, so daß die Frequenzänderung als Maß für die Größe des zu messenden Stromes am Verbraueher herangezogen werden kann. Durch eine entsprechende Auswertenachbeschaltung 13 zur Oszillatorschaltung 12 mit Schmitt-Triggern, Differenziergliedern und Tiefpässen (z.B. R1=75Q, R2 = lkQ, R 2 = 1 kQ, C 1 = 30OpF, C 2 = 1 μΡ, Schmitt-Trigger 74 LS 14) kann dann am Ausgang der Schaltung entweder die Frequenzänderung direkt als Frequenzsignal /λ oder als der Frequenzänderung analoges Spannungssignal Ua gemessen werden.
Als Dimensionierungsbeispiel für den Strommeßsensor seien beispielsweise folgende Daten genannt:

Ringkern: aus Metglas 2705 M oder Vitrovac 6025 X,
Abmessungen: Länge 10 mm, zu einem Kreis

von ca. 3 mm 0 gebogen,
Breite 2 mm,

Dicke 0,025 mm, einlagig,

Wicklung: ca. 200 Windungen, Kupfer

draht 0,1 mm 0, einlagig.

Während bei den Schaltungsbeispielen nach Fig.2 bis 4 die Größe des Stromes am Verbraucher gemessen werden kann, zeigt Fig.5 eine Schaltung, welche nur feststellt, ob Strom fließt oder nicht. Hierbei wird der Strommeßsensor 7 mit Stromimpulsen kurzer Dauer von einem Impulsgenerator 14 gespeist, wobei der wenig unterhalb der Sättigung betriebene Strommeßsensor Ausgangssignale 5 als Schwellwert abgibt, welcher Schwellwert durch die Sättigungsinduktion des Ringkernmaterials bestimmt ist. Fließt nun durch den vom Strommeßsensor 7 umschlossenen Verbraucherstromleiter 5 ein Strom, so erzeugt dieser wiederum ein Zusatzfeld, welches eine Sättigung des Ringkernes und in Folge einen Zusammenbruch der Induktivität des Sensors bewirkt. Dadurch ändern sich die Ausgangssignale — sie werden beispielsweise stark differenziert — und diese Änderung dient dann als Kennung für einen Stromfluß im Verbraucherstromleiter. Dieses Prinzip, nämlich das Ausnützen der Hystereseschleife des Ringkernmaterials zur Vorgabe eines Schwellwertes und die Induktivitätsmessung mit Impulsen, ist insbesondere für die Lampen- und Glühkerzenkontrolle in Kraftfahrzeugen von Interesse und weist gegenüber der Verwendung eines Hallgenerators die Vorteile auf, daß nur zwei

Zuleitungen benötigt werden, der Arbeitstemperaturbereich bis über 200° C betragen kann und eine höhere Empfindlichkeit gegeben ist (so sind Ströme größer gleich 0,5 Ampere leicht meßbar). Zur Kontrolle selbst können z. B. Impulse von 1 bis 10 μβ Dauer bei einer Folgefrequenz von 1 Hz verwendet werden. Ein weiterer Vorteil dieses Prinzips ist, daß durch Serien- oder Parallelschaltung mehrerer Sensoren, von denen jeder einen diversen Verbraucherstromleiter umschließt, logische Verknüpfungen möglich sind. Die Serienschaltung gemäß F i g. 6 ergibt eine logische NAND-Verknüpfung, da in allen Stromkreisen Strom fließen muß, um die Gesamtinduktivität der Serienschaltung unter einen vorgegebenen Schwellwert zu senken. Die Parallelschaltung gemäß F i g. 7 ergibt eine logische NOR-Verknüpfung, da bereits ein Stromfluß in einem der Verbraucherstromkreise die Gesamtinduktivität der Parallelschaltung auf einen sehr kleinen Wert absenkt. Durch diese Art der logischen Verknüpfung können nicht nur zusätzliche elektronische Bauteile, sondern auch Leitungen eingespart werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Strommeßsensor zur Funktionskontrolle elektrischer Verbraucher, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem einen Verbraucherstromleiter umschließbaren, eine Wicklung mit zwei Wicklungsanschlüssen tragenden Ringkern aus dünnem, isoliertem Flachband und einer sehr hohe Permeabilität und niedrige Koerzitivfeldstärke und Hystereseverluste aufweisenden Legierung, wobei sich die Wicklung quer zur Längsrichtung des Flachbandes erstreckt und Wicklung und Ringkern mit einem isolierenden Material vergossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) einlagig und an seinen Enden (2', 2") als offener Ring ausgebildet ist, daß der Ringkern (1) aus einer magnetostriktionsfreien amorphen Legierung mit hohem Kobaltgehalt besteht und daß das isolierende Material (4) elastisch ist.

2. Strommeßsensor nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Legierung und/oder die Wicklung als Metallfilm auf das Flachband (2) aufgebracht ist.

3. Strommeßsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) als sich an seinen Enden (2', 2") überlappender Ring ausgebildet ist.